DE3911812A1 - Schneller feuchtesensor auf polymerbasis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtesensor auf Polymerbasis.

Bekannt sind Feuchtesensoren mit Polymerschichten als feuchte­ empfindlichem Element, wobei diese Polymerschichten durch Plasmapolymerisation oder durch Gießbeschichtung eines Substrats hergestellt sind. Die Ansprechzeiten derartiger Sensoren liegen im Bereich von Minuten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Feuchtesensor auf Polymerbasis anzugeben, der einer dem Stand der Technik gegenüber erheblich geringere Ansprechzeit, z.B. deutlich unter einer Minute hat.

Diese Aufgabe wird durch einen Feuchtesensor gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine der Materialzu­ sammensetzung nach an sich bekannte dielektrische Polymer­ schicht als Sensorelement zu verwenden, die aber mittels Sputtern bzw. Kathodenzerstäubung hergestellt ist. Das Polymermaterial ist insbesondere Polytetrafluoräthylen PTFE.

Die Herstellung der dielektrischen Polymerschicht durch Sputtern ermöglicht es, sehr wassersensitive Schichten aus diesem Material herzustellen. Vorzugsweise sind die Schicht­ dicken auf 5 bis 5000 nm bemessen. Gesputterte Polymerschich­ ten haben vergleichsweise zu ihrem Volumen bzw. ihrer Masse große Oberfläche und damit hohe Oberflächenaktivität. Die Feuchte-Ansprechzeit derartiger Schichtdicken ist schicht­ dickenabhängig. Dies ermöglicht wahlweise Feuchtesensoren mit Die elektronische Auswertung der Feuchteempfindlichkeit er­ findungsgemäß hergestellter Schichten kann sowohl kapazitiv als auch resistiv erfolgen. Beim kapazitiven Meßprinzip wird der Effekt ausgenützt, daß Wassermoleküle in den mikroskopi­ schen Hohlräumen des amorphen Polymers adsorbiert werden und somit sich die Kapazität eines mit derartiger Polymerschicht aufgebauten Kondensators feuchteabhängig ändert.

Ist resistive Feuchtebestimmung mittels eines erfindungsgemäß hergestellten Feuchtesensors vorgesehen, wird das aufge­ sputterte Grundpolymer in einem weiteren Verfahrensschritt elektrisch leitfähig gemacht. Hierfür eignet sich z.B. das Sulphonieren des Polymermaterials.

Der Aufbau eines kapazitiven Feuchtesensors und der Aufbau eines resistiven Feuchtesensors, jeweils nach der Erfindung hergestellt, ist prinzipiell gleichartig.

Die Fig. 1 zeigt in Seitenansicht im Schnitt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors. Mit 1 ist ein platten­ förmiges Substrat aus z.B. Al₂O₃ bezeichnet. Die auf dem Substrat aufgebrachte Grundelektrode aus z.B. Platin, Platin­ metall , oder Gold ist mit 2 bezeichnet. Bei elektrisch leiten­ dem Substrat 1 erfolgt der elektrische Anschluß dieser Grundelektrode 2 (sofern diese Grundelektrode dann überhaupt vorgesehen ist) über dieses Substrat 1. Mit 3 ist die für die Erfindung wichtige, durch Sputtern bzw. Kathodenzerstäubung hergestellte Polymerschicht aus z.B. Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen oder dgl. bezeichnet.

Mit 4 ist eine (elektrisch leitende) Deckelektrode bezeichnet, die auf der Polymerschicht 3 aufliegt. Die Deckelektrode besteht aus einer dünnen porösen Schicht oder sie ist durch Strukturierung und dgl. so ausgeführt, daß in beiden Fällen Feuchteeinwirkung auf die Polymehrschicht 3 aus der den Sensor umgebenden Atmosphäre erfolgen kann.

Es ist ein elektrischer Anschluß 32 für die Grundelektrode 2 und ein Anschluß 34 für die Deckelektrode 4 vorgesehen.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist insbesondere als kapazi­ tiv arbeitender Feuchtesensor geeignet.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die besonders vorteilhaft für einen resistiv arbeitenden Feuchtesensor nach der Erfin­ dung geeignet ist. Mit 1 ist wiederum ein Substrat bezeichnet, das elektrisch isolierend ist oder mit einer elektrisch iso­ lierenden Schicht versehen ist. Mit 22 und 24 sind die beiden Kämme einer interdigitalen Zwei-Elektrodenstruktur bezeichnet. Die ineinandergreifenden Finger der einen Elektrodenstruktur 22 einerseits und der anderen Elektrodenstruktur 24 anderer­ seits ergeben eine prinzipielle Parallelschaltung der elemen­ taren Widerstandszellen.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Fig. 2. Mit 23 ist die feuchtesensitive Polymerschicht bezeichnet, die erfindungsge­ mäß durch Sputtern hergestellt ist. Aufgrund ihrer Porosität ist die Polymerschicht 23 geeignet, Feuchte der Umgebung rasch aufzunehmen, so daß sich mit entsprechend kurzer Ansprechzeit der elektrische Widerstand in der Schicht 23 und damit zwischen den Elektroden 22 und 24 ändert. Die Änderung des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden 22 und 24 ist ein Maß für den Feuchtegrad der den Sensor umgebenden Atmosphäre.

Eine Elektroden-Ausführungsform nach Fig. 2 ist auch für einen kapazitiven Feuchtesensor nach Fig. 1 geeignet, nämlich dann von Vorteil, wenn es Schwierigkeit bereitet, eine genügend feuchtedurchlässige Deckelektrode 4 herzustellen.

In Fig. 2 ist lediglich schematisch auch eine Meßvorrichtung angegeben. Mit Hilfe der Spannungsquelle 41 wird elektrischer Strom durch den Sensor nach Fig. 2 geschickt. Mit Hilfe einer Anzeigeeinrichtung 42 wird das Maß des fließenden elektri­ schen Stroms ermittelt, das auch ein Maß für die jeweilige Feuchtigkeit ist, die aufgrund der Feuchtigkeit der umgebenden Atmosphäre im Polymermaterial der Schicht 23 herrscht.

Die Grundelektrode, die aus einer dünnen Metallschicht besteht, kann auch die Form eines Mäanders haben. Sie kann dann zusätzlich als Temperatursensor dienen. Dies beruht darauf, daß der elektrische Widerstand von Metallen in be­ stimmten Temperaturbereichen annähernd linear mit der Temperatur wächst.

Mit dem zusätzlichen Temperatursensor-Signal ist es möglich, bei entsprechender Ausbildung der Auswerteelektronik, außerdem auch die an sich vorhandene Temperaturabhängigkeit des Feuchtesensors auf elektronischem Wege zu kompensieren.

Ein erfindungsgemäßer Feuchtesensor läßt sich in planarer Technologie herstellen. Damit hat ein solcher Feuchtesensor eine hohe Kompartibilität zur sog. SMT-Technologie (surface­ mound-technology). Damit bietet sich für den erfindungsge­ mäßen Feuchtesensor die Möglichkeit kostengünstiger Groß­ serienfertigung.

Von Feuchtesensoren her ist es bekannt, daß sie sich im Laufe ihres Betriebs mit Wasserdampf sättigen und damit ihre Empfindlichkeit stark reduziert wird. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, einen erfindungsgemäßen Feuchte­ sensor mit planarem Aufbau mit einer elektrischen Heizung zu versehen. Der Feuchtesensor und diese elektrische Heizung sind miteinander integriert aufgebaut. Zum Beispiel kann die eine der beiden Elektroden (Grundelektrode, Deckelektrode) so aus­ gestaltet und betrieben sein, daß sie außerdem auch als elek­ trische Heizung verwendbar ist. Durch Aufheizen wird der Sensor immer wieder in einen definierten Grundzustand zurück­ versetzt.

Das erfindungsgemäß verwendete Sputter-Verfahren zur Herstellung der Polymerschicht bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl gleicher Sensoren mit entsprechend gleichen Eigen­ schaften nebeneinander auf einem Substrat anzuordnen.

Eine quasi kontinuierliche Bestimmung der Luftfeuchte ist möglich, wenn man mindestens zwei identische Einzelsensoren so betreibt, daß während der Zeit, während der eine Sensor aus­ geheizt, der andere Sensor die Funktion als Feuchtesensor aus­ führt.

Claims (10)

1. Feuchtesensor auf Polymerbasis mit einer feuchtesensi­ tiven, aus dem Polymer bestehenden Schicht, wobei Material dieser Schicht sich zwischen zwei Elektroden befindet, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Polymermaterial der Schicht (3, 23) aufgesputtertes (kathodenzerstäubtes) Material ist.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß sich das aufgesputterte Polymer als Schicht (3) zwischen zwei Elektroden (2, 4) befindet.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß eine zwischen der Polymerschicht (3) und der Atmosphäre, deren Feuchtigkeit zu messen ist, befindliche Deckelektrode (4) feuchtigkeitsdurchlässig ausgeführt ist.

4. Feuchtesensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch , daß diese Deckelektrode (4) eine Gitterstruktur aufweist.

5. Feuchtesensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch , daß diese Deckelektrode (4) porös ist.

6. Feuchtesensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß eine Interdigitalstruktur aus zwei kammförmigen, inein­ andergreifenden Elektroden (22, 24) vorgesehen ist, wobei Material der feuchtesensitiven Schicht (23) die Zwischen­ räume zwischen den Elektroden (22, 24) wenigstens weitgehend ausfüllt.

7. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch , daß eine elektrische Heizung in integrierter Bauweise vor­ gesehen ist.

8. Feuchtesensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch , daß eine der Elektroden (2, 4; 23, 24) zusätzlich als Heizung betrieben ist.

9. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch , daß eine der Elektroden (2, 4; 23, 24) außerdem auch als Temperatursensor vorgesehen ist.

10. Feuchtesensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch , daß die Auswerteelektronik so ausgebildet ist, daß mit dem Temperatursensor-Signal der einen Elektrode das temperatur­ abhängige Feuchte-Sensorsignal elektronisch temperaturin­ variant gemacht wird.