DE3911812C2 - Schneller Feuchtesensor auf Polymerbasis - Google Patents
Schneller Feuchtesensor auf PolymerbasisInfo
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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 Polytetrafluoräthylen PTFE.
Die Herstellung der dielektrischen PTFE-Schicht durch
Sputtern ermöglicht es, sehr wassersensitive Schichten aus
diesem Material herzustellen. Vorzugsweise sind die Schicht
dicken auf 5 bis 5000 nm bemessen. Gesputterte PTFE-Schich
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 vorgebbarer Ansprechzeit herzustellen.
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 PTFE adsorbiert werden und
somit sich die Kapazität eines mit derartiger PTFE-Schicht
aufgebauten Kondensators feuchteabhängig ändert.
Ist resistive Feuchtebestimmung mittels eines erfindungsgemäß
hergestellten Feuchtesensors vorgesehen, wird das aufge
sputterte Grund-PTFE in einem weiteren Verfahrensschritt
elektrisch leitfähig gemacht.
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 PTFE-Schicht aus Polytetrafluoräthylen
bezeichnet.
Mit 4 ist eine (elektrisch leitende) Deckelektrode bezeichnet,
die auf der PTFE-Schicht 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 PTFE-Schicht 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 PTFE-Schicht bezeichnet, die erfindungsge
mäß durch Sputtern hergestellt ist. Aufgrund ihrer Porosität
ist die PTFE-Schicht 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 PTFE-Material 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 elektrische Heizung verwendbar ist. Durch Aufheizen wird der
Sensor immer wieder in einen definierten Grundzustand zurück
versetzt.
Das erfindungsgemäß verwendete Sputter-Verfahren zur
Herstellung der PTFE-Schicht 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 wird, der andere Sensor die Funktion als Feuchtesensor aus
führt.
Claims (9)
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) Polytetrafluoräthylen ist.
2. Feuchtesensor nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß eine zwischen der Polytetrafluoräthylen-Schicht (3) und der Atmosphäre,
deren Feuchtigkeit zu messen ist, befindliche Deckelektrode (4)
feuchtigkeitsdurchlässig ausgeführt ist.
3. Feuchtesensor nach Anspruch 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß diese Deckelektrode (4) eine Gitterstruktur aufweist.
4. Feuchtesensor nach Anspruch 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß diese Deckelektrode (4) porös ist.
5. 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.
6. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet dadurch,
daß eine elektrische Heizung in integrierter Bauweise vor
gesehen ist.
7. Feuchtesensor nach Anspruch 6,
gekennzeichnet dadurch,
daß eine der Elektroden (2, 4; 23, 24) zusätzlich als Heizung
betrieben ist.
8. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet dadurch,
daß eine der Elektroden (2, 4; 23, 24) außerdem auch als
Temperatursensor vorgesehen ist.
9. Feuchtesensor nach Anspruch 8,
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.
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