DE3415772A1

DE3415772A1 - Feuchtigkeits-sensor

Info

Publication number: DE3415772A1
Application number: DE19843415772
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1983-04-28
Filing date: 1984-04-27
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3415772C2; JPS59200951A; US4558393A; GB8410877D0; GB2138951B; GB2138951A

Description

Feuchtigkeits-Sensor

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtigkeits-Sensor mit einem Substrat, einer Elektrode und einem gegenüber Feuchtigkeit empfindlichen Polymer-FiIm. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Feuchtigkeits-Sensor, bei dem der gegenüber Feuchtigkeit empfindliche Polymer-Film mit dem Substrat fest verbunden ist, um eine stabile und reproduzierfähige Feuchtigkeitscharakteristik zu erhalten.

Es ist bekannt, daß ein Feuchtigkeits-Sensor mit einem an einem Substrat ausgebildeten Polymer-Film Feuchtigkeit in der Atmosphäre feststellen kann aufgrund der Veränderung der elektrostatischen Kapazität auf dem Polymer-Film. Die Polymer-Filmmaterialien weisen jedoch eine geringe Affinität zum Substrat auf, was zu fehlender Haftung an dem Substrat führt, so daß ein genaues elektrisches Signal von einem derartigen konventionellen Feuchtigkeits-Sensor nicht erhalten werden kann.

Ein typischer Feuchtigkeits-Sensor weist einen organischen Polymer-Film auf, wobei an einem Substrat aus nicht leitendem Material, wie etwa Metalloxyd, Glas od.dgl., ein gegenüber Feuchtigkeit empfindlicher Film aus einem organischen Polymer gebildet wird, und ferner eine feuchtigkeitsdurchlässige Elektrode an einem gegenüber Feuchtigkeit empfindlichen Polymer-Film ausgebildet bzw. angeordnet wird. Der Feuchtigkeits-Sensor stellt die Veränderung der Feuchtigkeit in der Atmosphäre als Veränderung einer Impedanz fest, dip von dor Veränderung dor elektrostatischen Kapazität auf dom organischen Polymer-Film

abhängt.

Der organische Polymer-Film wird im wesentlichen auf einem Substrat in der Weise ausgebildet, daß eine organische Polymer-Lösung, die durch Auflösung eines organischen Polymers in einer Lösung hergestellt wird, auf das Substrat mittels einer Schleudergußtechnik oder einer Tauchtechnik im Anschluß an eine Sinterbehandlung oder Trockenbehandlung aufgetragen wird, um einen,gegenüber Feuchtigkeit empfindlichen Film herzustellen. Alternativ hierzu wird der feuchtigkeitsempfindliche Film direkt auf dem Substrat oder der Elektrode ausgebildet durch eine Spritztechnik oder eine Plasma-CVD-Technik. Jedoch weist der sich bildende feuchtigkeitsempfindliche Film eine ungenügende Haftung auf dem Substrat auf, was zu einer unstabilden Impedanz und/oder einem scheinbaren Verfall der Feuchtigkeitscharakteristik (Feuchtigkeit/ Impedanzcharakteristik) derselben führt. Dies stellt man leicht fest, wenn der feuchtigkeitsempfindliche Film mittels einer Schleuderguß- oder Tauchtechnik hergestellt wird. Man nimmt an., daß die feuchtigkeitsempfindlichen Filmmaterialien keine starke chemische Bindung zu den Substratmaterialien aufweisen und daß der feuchtigkeitsempfindliche Film quillt bzw. anschwillt und/oder schrumpft, in Abhängigkeit von der im Film absorbierten Wassermenge aufgrund der Feuchtigkeit in der Atmosphäre, was zu weiterer Verminderung der Haftung zwischen Film und Substrat führt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus der in der Anlage beigefügten Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Feuchtigkeitssensors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Feuchtigkeits-Sensors gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des Feuchtigkeitssensors gemäß der Erfindung nach Fig. 1.

Die Anordnung, Funktion und Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Im folgenden werden die typischsten Beispiele dargestellt. Dies bedeutet jedoch, daß diese Beispiele

15. nicht dazu ausersehen sind, den Rahmen der Erfindung zu begrenzen, und daß Änderungen und Modifikationen des Erfindungsgegenstandes innerhalb des technischen Rahmens der Erfindung jederzeit möglich sind.

Durch eine Vakuum-Verdampfungs-Technik, eine Zerstäubungstechnik od.dgl. wird ein elektrisch leitender Metallfilm auf einer Basis aus elektrisch nicht leitendem Material, wie etwa Glas oder Tonerde, oder ein Halbleiter aus Silikon mit der Bildung eines Substrats ausgebildet. Alternativ könnte eine Metallplatte als Substrat verwendet werden. Diese Schichten werden vorzugsweise als Substrat verwendet.

Auf das sich ergebende Substrat wird eine zehnprozentige Äthanol-Lösung aus einem silylierenden Reagens, das durch die nachfolgende chemische Formel

CH₂-CH-CH₂O(CH₂)₃Si(OCH3)3

dargestellt wird, mittels eines Schleudergußverfahrens aufgetragen und bei 90° C getrocknet, um das silylierende Reagens auf dem Substrat zu binden, das dann mit einer wässerigen Lösung aus Polyvinyl-Alkohol als feuchtig-

keitsempfindliches Filmmaterial beschichtet und durch ein Ventilationsverfahren getrocknet wird. Durch anschließende Wärmebehandlung wird der feuchtigkeitsempfindliche Film mit dem Substrat zur Bildung eines feuchtigkeitsempfindlichen Films auf dem Substrat verbunden. Schließlich wird an dem feuchtigkeitsempfindlichen Film eine Elektrode angebracht.

Der Mechanismus zur Anbringung des Polymer-Films an dem Substrat kann wie folgt beschrieben werden:

Der elektrisch leitende Metallfilm, der das Substrat bildet, weist auf seiner Oberfläche Hydroxyl-Gruppen auf, die mit dem silylierenden Reagens wie folgt reagieren:

-OH+(OCH₃)₃Si(CH₂)3OCH₂CH-CH₂ -OH

-o_x A

> -0-) Si (CH₂ ) ₃OCH₂CH-CH₂+3CH₂OH

~°

Die in Polyvinyl-Alkohol enthaltenden Hydroxyl-Gruppen reagieren mit dem silylierenden Reagens wie folgt:

4 Si (CH₂)₃OCH₂CH
0^x

-\ Λ

-0 4 Si (CH₂)₃OCH₂CH-CH₂+HO- -0^x

-0

\ I

-0 4 Si(CH₂)3OCH₂CH-CH₂-O-

-0

Ein Schema für den sich ergebenden feuchtigkeitsempfindlichen Film ist in Fig. 2 dargestellt. Sie zeigt, daß 30

Polyvinly-Alkohol 6 sich mit einem silylierenden Reagens 5 an einem Substrat 4 verbindet. Durch Verwendung dieser chemischen Modifikationsschicht wird somit der feuchtigkeitsempfindliche Film fest mit dem Substrat verbunden.

Obwohl der Feuchtigkeits-Sensor mit dem am Substrat gemäß der Erfindung angebrachten feuchtigkeitsempfindlichen Film in heißem Wasser stehen darf, wird sich der feuch-

tigkeitsempfindliche Film wegen des heißen Wassers nicht ablösen, und die feuchtigkeitsempfindliche Charakteristik des Films wird stabil gehalten. Wenn jedoch ein Feuchtigkeits-Sensor mit einem feuchtigkeitsempfindlichen > Film, der nicht mit einem Substrat gemäß der Erfindung verbunden ist, in heißem Wasser steht, wird man feststellen, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film sich von dem Substrat abschält.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau eines Feuchtigkeits-Sensors gemäß der Erfindung mit einem Substrat 1, einem feuchtigkeitsempfindlichen Film 2 und einer an dieser angebrachten Elektrode 3. Zwischen dem feuchtigkeitsempfindlichen Film 2 und dem Substrat 1 ist eine chemische Modifikationsschicht 4 angeordnet.

Gemäß der Erfindung ist das als Material für den feuchtigkeitsempfindlichen Film vorzugsweise verwendete Polymer Polyvinyl-Alkohol. Als weitere Beispiele hierfür sind Polymere bekannt, die Hydroxyl-Gruppen wie etwa Hydroxyalky!polyacrylate, aufweisen.

Eine Alternative zum oben erwähnten Feuchtigkeits-Sensor, der so aufgebaut ist, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film zwischen dem Substrat und der Elektrode angeordnet ist und es dadurch ermöglicht, eine Veränderung in der Impedanz an beiden Seiten des feuchtigkeitsempfindlichen Films festzustellen, würde ein Feuchtigkeits-Sensor sein, der ein Paar von am elektrisch nicht leitenden Substrat

gO angeordneten kamm-artigen Elektroden aufweist, und bei dem der feuchtigkeitsempfindliche Film an den Elektroden ausgebildet ist, und bei dem die chemische Modifikationsschicht zwischen dem feuchtigkeitsempfindlichen Film und den Elektroden angeordnet ist, was es erlaubt, eine Veränderung der Impedanz des feuchtigkeitsempfindlichen Films festzustellen.

Weitere Beispiele eines silylierenden Reagens sind Verbindungen, die durch die nachfolgend wiedergegebenen chemischen Formeln dargestellt sind:

CH₂-CH-CH₂OSi(OCH₃)3; CH₂-CH-CH₂O(CH₂)3SiCH₃, od.dgl. in Zusammenhang mit der vorstehend .erwähnten Verbindung

CH₂-CH-CH₂O(CH₂)₃Si(OCH3)₃.

Es versteht sich von selbst, daß der Fachmann verschie-'

dene andere Modifizierungen bei der Verwirklichung des Erfindungsgegenstandes vornehmen kann, ohne den Rahmen und die Idee des Erfindungsgegenstandes zu verlassen. Demzufolge ist nicht beabsichtigt, daß der Rahmen der

in der Anlage angefügten Ansprüche auf den Inhalt der 15

Beschreibung begrenzt ist.

Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend noch einmal, wie folgt, zusammengefaßt:

Der Feuchtigkeits-Sensor gemäß der Erfindung, der die vorstehend erwähnten Nachteile der bisher bekannten Feuchtigkeits-Sensoren überwindet, weist ein Substrat, einen feuchtigkeitsempfindlichen Polymer-Film mit an dem Substrat ausgebildeten Plydroxyl-Gruppen, eine am feuchtigkeitsempfindlichen Film angebrachte Elektrode und eine zwischen dem Substrat und dem Feuchtigkeitsfilm angeordnete chemische Modifikationsschicht auf. Die chemische Modifikationsschicht weist eine chemische Bindungsfestigkeit sowohl gegenüber dem Substrat als auch gegen- über dem feuchtigkeitsempfindlichen Film auf und erhöht hierdurch die Haftung zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film.

Die chemische Modifikationsschicht enthält ein silylierendes Reagens, das Epoxy-Gruppen aufweist.

-S-

Das silylierende Reagens ist wenigstens eine ausgewählte Verbindung aus der Gruppe der nachfolgend aufgeführten Verbindungen:

CH₂-CH-CH₂O(CH₂)₃Si(OCH₃)₃; CH₂^CH-CH₂OSi(OCH₃)₃; und CH₂^CH-CH₂O(CH₂)3SiCH₃.

Das den feuchtigkeitsempfindlichen Film bildende Polymer ist vorzugsweise Polyvinyl-Alkohol.

Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand erfüllt somit die Aufgabe, einen neuen und nützlichen Feuchtigkeits-Sensor zu schaffen, bei dem eine chemische Modifikationsschicht zwischen einem Substrat und einem feuchtigkeitsempfindlichen Film aus Polyvinyl-Alkohol derart anzuordnen, daß der Film mit dem Substrat fest verbunden ist. Außerdem soll ein Feuchtigkeits-Sensor geschaffen werden, der stabil und zuverlässig arbeitet.

- Leerseite -

Claims

Οιι'-ΊΙ Λ Kli'ssin FluqgensliaHt.' 1 7 Π BlKId M:;in Ιιι·'ι i'l

SHARP KABUSHIKI KAISHA Osaka/Japan

Feuchtigkeits-Sensor

Patentansprüche

Patentanwälte · F.uropean Patent Attorney:

Kanzlei/Office:

Fluggenstraße 17 · D-8000 München

Dr. Herrnann O. Th. Diehl · Diplom-Physikei Dr. Horst-R. Kressin · Diplom-Chemiker

Anton Freiherr Riederer von Paar · Dipl.-Inc Landshut"

26.4.1984 D-lei Sh 2299

Feuchtigkeits-Sensor, gekennzeichnet durch ein Substrat .), einen feuchtigkeitsempfindlichen Film mit an dem
Substrat (1) ausgebildeten Hydroxyl-Gruppen, eine am feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) angeordneten Elektrode (3) und eine zwischen dem Substrat (1) und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) angeordnete chemischen Modifikationsschicht (4) , die sowohl gegenüber dem Substrat (1) als auch gegenüber dem feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) eine chemische Bindungsfestigkeit aufweist und hierdurch die Haftung zwischen dem Substrat (1) und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) erhöht.

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2. Feuchtigkeits-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, daß die chemische Modifikationsschicht (4) ein silvlierendes Reaqens mit Epoxygruppen aufweist.
3. Feuchtiqkeits-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das silylierende Reaqens wenigstens eine Verbindung ist,, die aus der Gruppe der nachfolgend aufgeführten Verbindungen ausgewählt ist:

CH₂-CH-CH₂O(CH₂)3S1(OCH₃)3;

CH₂-CH-CH₂OSi(OCH₃)3; und

/⁰X

CH₂-CH-CH₂O ( CII₂ ) 3S1CH3
4. Feuchtiqkeits-Sensor mich einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das den feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) bildende Polymer Polyvinyl--Alkohol ist.