DE3415772C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeits-Sensor mit einem Substrat, einem feuchtigkeitsempfindlichen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polymerfilm, einer an dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Elektrode und einer zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Schicht, mit dessen Hilfe es möglich ist, auf stabile und reproduzierbare Weise Feuchtigkeitsmessungen durchzuführen.

Mit Hilfe eines Feuchtigkeits-Sensors können bekanntlich Veränderungen der Luftfeuchtigkeit als Änderung der Impedanz gemessen werden, die von der Änderung der elektrostatischen Kapazität des auf einem Substrat aus einem nichtleitenden Material, wie einem Metalloxid, Glas od. dgl., befindlichen feuchtigkeitsempfindlichen Film aus einem organischen Polymeren abhängt. Ein solcher Feuchtigkeits-Sensor weist außerdem eine feuchtigkeitsdurchlässige Elektrode auf, die an dem feuchtigkeitsempfindlichen Polymerfilm befestigt ist.

Aus der US-PS 41 67 725 ist ein Feuchtigkeits-Sensor bekannt, der besteht aus einem Träger und einem darauf aufgebrachten feuchtigkeitsempfindlichen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polymerfilm, einer an dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Elektrode und einer zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Klebstoffschicht.

Dieser Feuchtigkeits-Sensor hat jedoch den Nachteil, daß die Haftung zwischen dem Substrat und dem darauf aufgebrachten Polymerfilmüberzug wegen der geringen Affinität zwischen beiden Materialien unzureichend ist, so daß ein stabiles, reproduzierbares elektrisches Signal und damit eine zuverlässige Feuchtigkeitsmessung auch unter extremen Umgebungsbedingungen damit nicht erzielbar ist.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Feuchtigkeits-Sensor mit dem eingangs genannten Aufbau zu entwickeln, bei dem der Polymerüberzug an dem Substrat zuverlässig haftet, um so stabile und reproduzierbare Feuchtigkeitsmessungen auch unter extremen Umgebungsbedingungen durchführen zu können.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Polymerfilm eine chemische Modifikationsschicht angeordnet wird, die ein silylierendes Reagens mit Epoxygruppen aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Feuchtigkeits-Sensor mit einem Substrat, einem feuchtigkeitsempfindlichen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polymerfilm, einer an dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Elektrode und einer zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Schicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordnete Schicht eine chemische Modifikationsschicht ist, die ein silylierendes Reagens mit Epoxygruppen aufweist.

Als silylierendes Reagens wird vorzugsweise wenigstens eine Verbindung verwendet, die ausgewählt wird aus der Gruppe der nachstehend angegebenen Verbindungen: das den feuchtigkeitsempfindlichen Polymerfilm aufbauende Polymere ist vorzugsweise Polyvinylalkohol.

Der Feuchtigkeits-Sensor ermöglicht die Durchführung stabiler und reproduzierbarer Feuchtigkeitsmessungen auch unter extremen Umweltbedingungen, beispielsweise in Gegenwart von heißem Wasserdampf. Der erfindungsgemäße Feuchtigkeits-Sensor zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Haftung zwischen dem Substrat und dem darauf befindlichen feuchtigkeitsempfindlichen Polymerfilm aus, die vermutlich darauf zurückzuführen ist, daß die Sauerstoffatome an der Oberfläche des Substrats eine chemische Bindung mit den Siliciumatomen in der Modifikationsschicht eingehen und die Hydroxylgruppen des feuchtigkeitsempfindlichen Polymerfilms vermutlich über zwischenmolekulare Kräfte an die Ketten der Modifikationsschicht gebunden sind.

In dem Feuchtigkeits-Sensor löst sich der feuchtigkeitsempfindliche Polymerfilm selbst in heißem Wasser nicht von dem Substrat ab, so daß auch unter extremen Bedingungen, beispielsweise in Gegenwart von heißem Wasserdampf, damit zuverlässige Feuchtigkeitsmessungen durchgeführt werden können.

Der organische Polymerfilm kann durch Aufbringen einer organischen Polymerlösung, die durch Auflösen eines organischen Polymeren in einem Lösungsmittel hergestellt worden ist, auf das mit der Haftschicht versehene Substrat unter Anwendung eines Schleuderguß- oder Tauchbeschichtungsverfahrens im Anschluß an eine Sinterbehandlung oder eine Trocknungsbehandlung aufgebracht werden, um einen feuchtigkeitsempfindlichen Film herzustellen. Alternativ kann der feuchtigkeitsempfindliche Polymerfilm auch direkt auf der auf dem Substrat befindlichen Haftschicht oder der Elektrode ausgebildet werden unter Anwendung eines Spritzverfahrens oder eines Plasma-CVD-Verfahrens.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine partielle Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Feuchtigkeits-Sensors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Feuchtigkeits-Sensors und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig. 1.

Zur Herstellung des Feuchtigkeits-Sensors wird ein Substrat verwendet, das besteht aus einem elektrisch leitenden Metallfilm auf einer Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie beispielsweise aus Glas oder Tonerde, oder aus einem Siliciumhalbleiter. Alternativ kann auch eine Metallplatte als Substrat verwendet werden.

Auf das sich ergebende Substrat wird eine zehnprozentige Ethanol-Lösung aus einem silylierenden Reagens, das durch die nachfolgende chemische Formel dargestellt wird, mittels eines Schleudergußverfahrens aufgetragen und bei 90°C getrocknet, um das silylierende Reagens auf dem Substrat zu binden, das dann mit einer wäßrigen Lösung aus Polyvinylalkohol als feuchtigkeitsempfindliches 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 der Haftung des Polymerfilms an dem Substrat kann wie folgt beschrieben werden:

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

Die im Polyvinylalkohol enthaltenen Hydroxylgruppen reagieren mit dem silylierenden Reagens wie folgt:

Ein Schema für den sich ergebenden feuchtigkeitsempfindlichen Film ist in Fig. 2 dargestellt. Sie zeigt, daß der Polyvinylalkohol 6 sich mit einem silylierenden Reagens 5 an einem Substrat 4 verbindet. Durch Verwendung dieser chemischen Modifkationsschicht 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 feuchtigkeitsempfindliche 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 ablöst.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau eines Feuchtigkeits-Sensors 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 Polyvinylalkohol. Als weitere Beispiele hierfür sind Polymere bekannt, die Hydroxylgruppen aufweisen, wie etwa Hydroxyalkylpolyacrylate.

Eine Alternative zum obenerwähnten 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, ist ein Feuchtigkeits-Sensor, der ein Paar von am elektrisch nichtleitenden Substrat angeordneten kammartigen 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: in Zusammenhang mit der vorstehend erwähnten Verbindung.

Claims (3)

1. Feuchtigkeits-Sensor mit einem Substrat, einem feuchtigkeitsempfindlichen, Hydroxylgruppen enthaltenden Polymerfilm, einer an dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Elektrode und einer zwischen dem Substrat und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Substrat (1) und dem feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) angeordnete Schicht (4) eine chemische Modifikationsschicht ist, die ein silylierendes Reagens mit Epoxygruppen aufweist.

2. Feuchtigkeits-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das silylierende Reagens wenigstens eine Verbindung ist, die aus der Gruppe der nachfolgend aufgeführten Verbindungen ausgewählt ist:

3. Feuchtigkeits-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den feuchtigkeitsempfindlichen Film (2) bildende Polymer Polyvinylalkohol ist.