DE3416108A1

DE3416108A1 - Feuchtigkeits-sensor

Info

Publication number: DE3416108A1
Application number: DE19843416108
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Yamatokoriyama Nara Furubayashi; Masaya Yamatokoriyama Nara Hijikigawa; Junichi Tenri Nara Tanaka; Masanori Tenri Nara Watanabe
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1983-04-30
Filing date: 1984-04-30
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DE3416108C2; GB2138953B; GB8410883D0; US4632879A; JPH0242429B2; GB2138953A; JPS59202052A

Description

Feuchtigkeits-Sensor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeits-Sensor mit einem Polymerfilm, wobei der Sensor dazu dient,aufgrund von Impedanzveränderungen des Polymerfilms Feuchtigkeitsänderungen in der Atmosphsäre nachzuweisen.

Feuchtigkeits-Sensoren, bei denen sich die Impedanz in Abhängigkeit von Feuchtigkeitsänderungen in der Atmosphäre ändert, gibt es z.B. in der Form eines Feuchtigkeits-Sensors mit einem Sintermetalloxidkörper, z.B. bestehend aus Zinnoxid (SnO-) , oder einem Metalloxidfilms, eines Feuchtigkeits-Sensors, der einen hydro-philen Polymerfilm aufweist, eines Feuchtigkeits-Sensors, bei dem ein Elektrolytsalz, wie z.B. Lithium-Chlorid (LiCl), eingesetzt wird, und in der Form 20

eines Feuchtigkeits-Sensors mit einem hygroskopischen Harz- oder Polymerfilm, in dem elektrisch leitende Partikel oder Fasern, wie z.B. Kohlenstoff, feinstverteilt sind.-

Während der feuchtigkeitsempfindliche Bereich des Feuchtigkeits-Sensors mit einem Metalloxidfilm oder einem hydrophilen Film sehr groß ist, ändert sich der Widerstand des Feuchtigkeits-Sensors exponentiell in Reak-

OQ tion auf die relativen Feuchtigkeit der Atmosphäre.

Ein Feuchtigkeits-Sensor mit einem Elektrolytsalz, wie z.B. Lithiumchlorid, weist Feuchtigkeit nur in einem sehr begrenzten Bereich nach. Wird der Feuchtigkeits-Sensor über einen längeren Zeitraum einer Atmospähre mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt, eluiert das sich im

Feuchtigkeits-Sensor befindliche Elektrolytsalz oder löst sich auf, was zu einer Beeinträchtigung der feuchtigkeits-Ρ-empfindlichen Eigenschaft des Sensors führt, und demzufolge kann dieser Feuchtigkeits-Sensor für die Erfassung von hoher Feuchtigkeit nicht eingesetzt werden. Ein Feuchtigkeits-Sensor, bei dem ein feinstverteilte elektrisch leitfähige Partikel oder Fasern aufweisendes _in ■ hygroskopisches Harz oder ähnliches Material eingesetzt wird, kann Feuchtigkeit nur in einem begrenzten Bereich nachweisen, da sich sein Widerstand bei hohem Feuchtigkeitsgrad sehr stark ändert, während er niedrigen Feuchtigkeitsgraden gegenüber unempfindlich ist.

Der Erfindung liegt primär die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen und nützlichen Feuchtigkeits-Sensor zu schaffen,dessen feuchtigkeitsempfindlicher Bereich sehr groß ist, dessen Impedanz im wesentlichen durch eine Funktion erster Ordnung dor relativen Feuchtigkeit im Bereich 0% bis 9 0% dargestellt wird, d.h. es besteht ein ungefähres lineares Verhältnis zwischen der Impedanz und der relativen Feuchtigkeit, sowie einen kompakten und preisgünstigen Feuchtigkeits-Sensor zu schaffen, der einen logarithmi-„p. sehen Meßwertumformer überflüssig macht, gegen eindringendes Waser sehr gut geschützt ist, sehr gut reagiert, eine geringe- Hyatereso der Feuchtigkeitscharakteristik aufweist , leicht herstellbar ist und sich durch gleichbleibende Qualität auszeichnet, da or aus einfachen Elementen ^bosteht·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüehcn beschrieben.

Der erf indunqycjemäßo Feucht igkei t s-Senaor vermeidet die nufgoführtcMi NachteiLe gemäß dem Stand der Technik und

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besteht aus einem Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten unteren Elektrode, einem auf der unteren Elektro-5

de angeordneten feuchtigkeitsemfpindlichen Film und • einer auf dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordneten feuchtigkeitsdurchlässsigen Elektrode, wobei der feuchtigkeitsempfindliche Film durch Wärmebehandlung von Polyvinylalkohol gebildet wird. Der feuchtigkeitsempfindliche Film wird mittels Wärmebehandlung von

'Polyvinylalkohol in einem Temperaturbereich zwischen 150° und 250⁰C erzeugt.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die aufgeführten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert, Es zeigen

Fig. l(A) eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Feuchtigkeits-Sensors,

Fig. l(B) ein entsprechendes Schaltbild des Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig. .1(A),

Fig. 2 graphische Darstellung der Feuchtigkeitscharakteristik des Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig. 1(A),

Fig. 3(A) Teilschnittansicht eines weiterem erfindungsgemäßen Feuchtigkeits-Sensors,

Fig. 3(B) ein entsprechendes Schaltbild des Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig. 3(A).

Fig. l(A) zeigt einen erfindungsgemäßen Feuchtigkeit s-Sensor_/ bei dom auf ein Substrat. (1), bestehend aus einem Isolator, wie z.B. Glas,Tonerde oder einem

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ähnlichen Material, oder einem Halbleiter, wie z.B. Silizium oder einem ähnlichen Material, ein elektrisch leitender Metall film , z.B. bestehend aus Gold oder einem ähnlichen Material, mittels Vakuumaufdampf-Verfahren oder Sprühverfahren aufgebracht wird. Diese: Metallfilm stellt die untere Elektrode (2) dar. Als Substrat (1) kann auch eine Metallplatte verwendet werden, die als untere Elektrode dient.

Anschließend wird ein feuchtigkeitsempfindlicher Film (3) auf dor unteren Elektrode (2) unter Anwendung der nachfolgend aufgeführten Verfahren gebildet:

In einem Lösungsmittel, wie z.B. Wasser oder mehrwertigem Alkohol, gelöster Polyvinylalkohol wird mittels Schleudergußverfahren, Druckverfahren oder Tauchverfahren auf die untere Elektrode (2) aufgebracht zur Bildung eines Films, der eine gewünschte Dicke aufweist. Der Film wird anschließend in einem Belüftungsverfahren getrocknet, an das sich eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 150° und 250° C anschließt, wobei keitsempfindliche Film (3) bildet.

150 und 250 C anschließt, wobei sich der feuchtig-

Ganz.allgemein ist Polyvinylalkohol ein wasserlösliches und kristallisierbares Polymer, das dazu neigt, in dem Maße zu kristallisieren, wie die Temperatur der Wärmebehandlung steigt. Wird daher Polyvinylalkohol einer Wärmebehandlung bei 150*" C oder höher unterzogen, ergibt sich eine für den praktischen Einsatz geeignete Wasserfestigkeit in der Form, daß er nicht eluiert aufgrund von Taukondensatbildung auf dem Endprodukt, dem feuchtigkeitsempfindlichen Film. Bei einer Temperatur von 200 c und höher setzt jedoch eine Zersetzung ein,

ο
die bei Temperaturen von 2 50 C und höher in eine sehr heftige Zersetzung übergeht, wobei der Polyvinylalkohol

die ihm eigene feuchtigkeitsempfindliche Eigenschaft verliert. Zur Herstellung eines wasserfesten, feuchtigkeitsempfindlichen Films ist es daher notwendig, Polyvinylalkohol einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 150° bis 250 C zu unterziehen.

Polyvinylalkohol weist eine hohe Beständigkeit gegen Öle oder Chemikalien auf, wie z.B. Knochenöl, Mineralöl, aliphatische Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Äther, Ester und Keton usw. Der erfindungs.-gemäße feuchtigkeitsempfindliche Film (3) wird durch hoch kristallisierbaren Polyvinylalkohol gebildet, der

ο

einer Wärmebehandlung bei ca. 200 C unterzogen wird und selbst unter härtesten Einsatzbedingungen zuverlässig arbeitet.

Zur Erzeugung einer oberen Elektrode (4) wird ein feuch-20

tigkeitsdurchlässiger elektrisch leitender Film aus Gold oder einem ähnlichen Material in einem Vakuumaufdampf-Verfahren oder Sprühverfahren auf den feuchtigkeitsempfindlichen Film (3) aufgebracht. Ein Bleidraht {5 )■

ist mit der unteren Elektrode (2) verbunden und ein 25

weiterer Bleidraht (5) ist mit der oberen Elektrode(4) verbunden, woraus sich ein Detektorelektrodenpa_ar ergibt, durch das ein elektrischer Strom fließt zur Ermittlung der Impedanz änderung des feuchtigkeitsempfindlichen

Films (3).
30

Fig.l (B) zeigt das entsprechende Schaltbild des Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig.'l(A), wobei der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) cinenKondensator Cp und

einen Widerstand Rp aufweist in der Form, daß 35

sich die Impedanz als Reaktion auf Feuchtigkeitsänderungen in der Atmosphäre ändert.

Im folgenden wird die Herstellung des vorgenannten Feuchtigkeits-Sensors und seine Betriebscharakterisitk näher beschrieben:

Auf dem Substrat (1) wird ein Goldfilm als untere Elektrode (2) in einem Vakuumaufdampf-Verfahren gebildet. Der so gebildete, als untere Elektrode wirkende, GoIdfilm weist eine Dicke von 2000 A auf. Zur Bildung eines feuchtigkeitsempfindlichen Films^wird auf der .unteren Elektrode (2) mittels Schleudergußverfahren eine wässrige Lösung von Polyvinylalkohol in einer Dicke von 2 am aufgebracht, in einem Belüftungsverfahren getrocknet und anschließend über 30 Min einer Wärmebehandlung bei 180 C unterzogen. Mittels Vakuumaufdampf-Verfahren wird eine obere Elektrode(4kus Gold mit einer Dicke von 200 A³ auf den feuchtigkeitsempfindlichen Film (3) aufgebracht. Die obere Elektrode (4) und die untere Elektrode

(2) sind über Bleidrähte (5) 1 an eine Detektor-Schaltung .angeschlossen, woraus sich der gewünschte Feuchtigkeits-Sensor ergibt.

Fig. 2 zeigt eine Charakteristik bei Anlegung eines Wechselstroms mit einer Spannung von 0,1 V und einer Frequenz von 10 KHz an den Feuchtighkeits-Sensor bei einer Temperatur von 2 5 C. Die Charakteristik zeigt auf, daß zwischen der Impedanz und der relativen Feuchtigkeit von 0% bis 9Ov, ein lineares Verhältnis besteht. Die Charakteristik, die ein derartiges lineares Verhältnis bei dem erfindungsgemäßen Feuchtigkeits-Sensor aufweist, wird im folgenden beschrieben:

Das vorgenannte Schaltbild des Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig. 1(1"J) weist einen Widerstand Rp und einen Kondensator C₁J auf, die parallel ,ui eine Detektor-Schaltung aiiqeschlosten sind. In einer Atmosphäre mit niedrigem oder normalem Feucht igkeitsgrad wird die Veränderung der

Impedanz des feuchtigkeitsempfindlichen Films (3 )■ im

wesentlichen durch Änderungen in dem Kondensator Cp 5

gesteuert, und es besteht ein lineares Verhältnis zwischen Impedanz in Abhängigkeit von der Kapazität und der relativen Feuchtigkeit. Bei hoher Feuchtigkeit wird die Impedanzänderung im wesentlichen durch Änderungen im Widerstand Rp gesteuert, und die Impedanz in Abhängigkeit von der Kapazität, dargestellt durch 1/ ( 2 # f Cp )_f hängt von der Frequenz ab. Die Impedanz in Abhängigkeit vom Widerstand hängt jedoch nicht von der Frequenz ab. Ist die geeignete Frequenz gewählt, wird somit eine gewünschte Feuchtigkeitscharakteristik , die ein lineares Verhältnis zwischen Impedanz und relativer Feuchtigkeit von 0% bis 90% der relativen Feuchtigkeit aufweist, ereicht. Auch bei Änderung der Fläche der Elektrode und/ oder der Dicke des feuchtigkeitsempfindlichen Films

bleibt das ohne Einfluß auf die vorgenannte Charakteristik 20

Fig. 3 zeigt einen alternativen Aufbau des Feuchtigkeits-Sensors,bei dom der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) auf einem kammförmigen Elektrodenpaar (6) angeordnet ist, das auf einem isolierenden Substrat (1) aufgebracht ist, und ein feuchtigkeitsdurchlässiger elektrisch leitender Film (4) ist auf dem feuchtigkeitsempfindlichen Film (3) angeordnet. Das entsprechende Schaltbild dieses Feuchtigkeits-Sensors gemäß Fig. 3(A) wird in Fig. 3(B) gezeigt, wobei sich das Bezugszeichen Rsub auf ein 30

Widerstandselement des Substrats und das Bezugszei'chen .

Csub auf ein kapazitives Element des Substrats brzieht. Die synthetisierte Impedanz in Abhängigkeit vom Widerstand Rp und Kondensator Cp des feuchtigkeitsempfindlichen Films hänat von der Dicke des feuchtigkeits-35

empfindlichen Films und eier Fläche der Elektroden ab.

DiG synthetisierte! Impedanz in Abhängigkeit vom Widerat.an.dse3 emont Rsub und des kapazitiven Elements Csub

_t des Substrats hängt vom Substratmaterial und der Form b

der Elektrode ab. Wird die Dicke des feuchtigkeitsempfind-■ liehen Films, das Substratmaterial und/oder die Fläche und Form der Elektrode derartig gewählt, daß die· synthetisierte Impedanz in Abhängigkeit von Rsub und Csub die synthetisierte Impedanz Ln Abhängigkeit von Rp und Cp erheblich übersteigt, kann somit die synthetisierte Impedanz in Abhängigkeit von Rsub und Csub vernachlässigt werden und al lein die synthetisierte Impedanz in Abhängigkeit von Rp und Cp wird in der entsprechenden

Schaltung wirksam. .Eine derartigesynthetisierte Impedanz 15

in Abhängigkeit von Rp und Cp entspricht der Tatsache, daß das entsprechende Schaltbild gemäß Fig. 3(B) sich aus einer Reihenschaltung der Rp-und Cp-Elemente besteht, was zu einer zweifach synthetisierten Impedanz -erzeugt durch die entsprechende Schaltung

gemäß Fig. 1(B)-führt. Das bedeutet, daß der Feuchtigkeits-Sensor gemäß Fig. 3 ebenfalls die feuchtigkeitsempfindliche Charakteristik mit einem linearen Verhältnis zwischen Impedanz und relativer Feuchtigkeit aufweist wie der Feuchtigkeits-Sensor

gemäß Fig.

Claims

DIEHL & KRESSIN Ρ.ί|ι riUinwallc l-iiropt;;in Pillen! Alloriw/:. Kaii/Iei/Ollice. Fluqqeastraße \7 D-8000 München April 26, 1984 SH 2297 We SHARP KABUSHIKI KAISHA Osaka 545 Japan Feuchtigkeits-Sensor Patentansprüche

1. Feuchtigkeits-Sensor,
gekennzeichnet durch ein Substrat (1), eine auf dem Substrat (1) angeordnete untere Elektrode (2), einen auf der unteren Elektrode angeordneten feuchtigkeitsempfindlichen Film (3) sowie eine auf dem feuchtigkeitsempfindlichen Film angeordnete feuchtigkeitsdurchlässige Elektrode (4), wobei der feuchtigkeitsempfindliche Film durch eine Wärmebehandlung von Polyvinylalkohol gebildet ist.

2. Feuchtigkeits-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film dadurch hergestellt wird, daß Polyvinylalkohol einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen 150° und 250⁰C unterzogen wird.

3. Feuchtigkeits-Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat

aus einem Isolator, insbesondere Glas oder Tonerde, oder einem Halbleiter, insbesondere Silizium , besteht.

4. Feuchtigkeits-Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einer Metallplatte besteht, die als untere Elektrode dient.