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Kapazitiver feuchtesensor
DE3919864A1
Germany
- Other languages
English - Inventor
Ullrich Dipl Phys Dr Demisch - Current Assignee
- Testoterm Mestechnik & Co GmbH
Worldwide applications
Application DE3919864A events
1989-06-19
1990-12-20
1991-03-28
1991-03-28
Application granted
Status
Granted
Description
translated from
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Feuchtesensor der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Ein derartiger Feuchtesensor ist ein Kondensator mit we
nigstens zwei Elektroden, zwischen welchen sich ein feuch
teempfindliches Dielektrikum befindet. Wenigstens eine der
beiden Elektroden, die aus einer unterschiedlich geformten
metallischen Schicht bestehen kann, ist auf einem elek
trisch hoch isolierendem Träger vorgesehen, der vorzugswei
se aus Glas oder Keramik besteht und häufig als Substrat
bezeichnet wird. Die zweite, außen gelegene und gleichfalls
als metallische Schicht ausgebildete Elektrode ist feuch
te-, insbesondere wasserdampfdurchlässig, d.h. für die in
der Luft befindlichen Wassermoleküle diffundierbar.
Zwischen diesen beiden Elektrodenschichten befindet sich
das für die Feuchtemessung entscheidende feuchteempfindli
che Dielektrikum.
Bei bisher bekannten Feuchtesensoren dieser Art ist als
dielektrische Schicht ein Polymerfilm verwendet.
Die Firma Vaisala Oy, Helsinki bietet unter der Bezeichnung
"Humicap" einen Dünnschicht-Sensor an, bei welchem auf ein
Glassubstrat als Träger für zwei Dünnschicht-Gold-Elektro
den ein feuchteempfindliches Polymer vom Zelluloseaze
tat-Typ aufgebracht ist. Die zweite Elektrode ist bei
dieser Anordnung von einer sehr dünnen Gold-Elektrode mit
einer Dicke von 100 A bis 200 A gebildet, welche als ge
meinsame Gegenelektrode für die beiden auf dem Glassubstrat
aufgebrachten Elektroden dient. Diese beiden unteren Elek
troden sind kontaktiert, so daß die Kapazität zwischen den
beiden unteren Elektroden mit dem polymeren Dielektrikum
gemessen wird, wobei die elektrischen Feldlinien parallel
zueinander zur oberen potentialfreien Elektrode verlaufen.
Bei einem anderen Feuchtesensor, der von der Firma Coreci
mit der Typenbezeichnung "H 2000" angeboten wird, dient als
Dielektrikum gleichfalls ein Polymer, das aus Zelluloseaze
tat-Butyrat besteht. Die untere Elektrode besteht aus auf
ein Glassubstrat aufgesputtertem Tantal, das anschließend
oxidiert ist. Die außen gelegene feuchtedurchlässige Elek
trode besteht aus einer 1 µm dicken Chromschicht, welche
über eine Chrom-Nickel-Gold-Elektrode kontaktiert ist. Zur
Erhöhung der Ansprechzeit ist diese Sensoranordnung nach
Fertigstellung einer Wärmebehandlung derart ausgesetzt, daß
die Chromelektroden samt der darunter befindlichen Polymer
schicht grabenartig aufgebrochen sind.
Aus der DE 33 39 276 A1 ist ein ähnlicher kapazitiver
Feuchtesensor bekannt, bei welchem als feuchteempfindliche
Schicht ein Polyimid dient. Auf diese dielektrische Schicht
sind kammartig ausgebildete Gold-Elektroden aufgebracht,
welche gegenüber den gleichfalls kammartig auf dem Glassub
strat angeordneten Tantalelektroden versetzt sind. Diese
Anordnung hat den Vorteil, daß die Wassermoleküle direkt
und damit sehr rasch in die feuchteempfindliche Schicht
eindringen können.
Die Veränderung der Kapazität eines derartigen Feuchtesen
sors in Gegenwart von Luft unterschiedlichen Feuchtegehal
tes beruht darauf, daß die in der Luft befindlichen Wasser
moleküle in den das Dielektrikum bildenden Polymerfilm
diffundieren und damit die Dielektrizitäts-Konstante (DK)
und folglich den Kapazitätswert des so gebildeten Kondensa
tors verändern. Während die Dielektrizitäts-Konstante von
Polymeren zwischen 2 bis 3 liegt, beträgt die Dielektrizi
täts-Konstante von Wasser 80. Das bedeutet, daß sich die
Kapazität des derartigen Kondensators bei Eindringen von
Wassermolekülen in die dielektrische Schicht erhöht, was
für Feuchtemessungen ausgenutzt werden kann.
Für Messungen wichtig ist jedoch, daß die Meßergebnisse
einerseits reproduzierbar und andererseits von anderen
physikalischen oder chemischen Einflüssen weitgehend unab
hängig sind.
Für die Auswahl der Polymerschicht für das Dielektrikum
sind folgende Eigenschaften wichtig:
- 1. Reproduzierbare Abhängigkeit der Kapazität von der relativen Feuchte (rF).
- 2. Möglichst keine Drifteigenschaft insbesondere bei hohen Feuchten. Die bisher bekannt gewordenen Feuchtesensoren mit polymerem Dielektrikum erfüllen diese Bedingung noch nicht zufriedenstellend.
- 3. Hohe Temperaturverträglichkeit.
- Die Mehrzahl der bisher bekannten Sensoren ist nur bei Temperaturen bis zu 80°C verwendbar.
- 4. Einsetzbarkeit über den gesamten Feuchtebereich von 0% bis 100% rF.
- Der Einsatz der bisher bekannten Feuchtesensoren bei Feuchten über 90% rF ist in der Regel nur kurzfristig möglich, da in diesem Bereich die elektrische Charak teristik des Feuchtesensors nicht mehr reproduzierbar ist, d.h. die Kapazität der Sensoren driftet stark.
- 5. Hohe Beständigkeit gegenüber Fremdgasen wie SO2, CxHy, NH3, usw.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für
den oben genannten Feuchtesensor ein Dielektrikum zu fin
den, welches die erwähnten Bedingungen weitgehend erfüllt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung
als Dielektrikum ein Polymerfilm aus Polyetherimid vorge
schlagen.
Dieses Polymer, das bisher wegen guter Fließeigenschaften
zur Herstellung von Spritzgießteilen für den Flugzeug- und
Fahrzeugbau, für elektrische Geräte, Haushaltsgeräte bzw.
für die Gasseparation dienenden Membranen (US-PS 41 56 597)
verwendet wurde, löst überraschenderweise bei dem kapaziti
ven Feuchtesensor o.g. Art die gestellte Aufgabe und er
füllt besser als alle bisher bekannten Dielektrika die o.g.
Bedingungen.
Der weitere Aufbau des Feuchtesensors ist Gegenstand der
Unteransprüche.
Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines
Ausführungsbeispieles und anhand von mit Kurven belegten
Meßergebnissen erläutert. In den nachstehend beschriebenen
Zeichnungen zeigen
Fig. 1 Aufsicht eines erfindungsgemäßen Feuchtesen
sors in vergrößerter Darstellung;
Fig. 1a Schnitt längs der Linie Ia-Ia in Fig. 1;
Fig. 2 Diagramm: Kapazität in Abhängigkeit von der
relativen Feuchte,
Fig. 3 Diagramm: Kapazität in Abhängigkeit von der
relativen Feuchte vor und nach Lagerung im
Wetterhaus, und
Fig. 4 Diagramm: Kapazität über einen Zeitraum von
35 000 Minuten (ca. 21 Tage).
Mit den Fig. 1 und 1a ist eine mögliche Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Feuchtesensors veranschaulicht. Das
den Sensor tragende Substrat 11 besteht aus einem elek
trisch hochisolierendem Material, nämlich beim Ausführungs
beispiel aus Glas oder Keramik. Auf dieses Substrat ist als
erste Elektrode eine metallische Schicht 12 aus Tantal,
Tantal/Tantaloxid oder Gold aufgebracht, welche mit einem
Anschlußdraht 13 elektrisch verbunden ist. Diese Schicht
ist von einem das Dielektrikum bildenden Polymerfilm 14
überdeckt, der gemäß vorliegender Erfindung aus Polyetheri
mid besteht.
Nach oben abgedeckt ist die Sensoranordnung durch eine
zweite Elektrode, die Deckelelektrode 15, die aus wasser
dampfdurchlässigem Metall, vorzugsweise Gold, besteht.
Diese Elektrode 15 ist mit einer Anschlußelektrode 16
elektrisch leitend verbunden, welche wie die Elektrode 11
elektrisch isoliert von dieser auf dem Substrat 11 vorgese
hen ist und aus Tantal oder Gold besteht. Der Stromzufuhr
zu dieser Elektrode 16 dient der Anschlußdraht 17.
In einem Meßbereich von 15% bis 90% relativer Feuchte
durchgeführte Messungen ergaben eine weitgehend lineare
Abhängigkeit der Kapazität, die bei der Meßanordnung zwi
schen 107 bis etwa 120 pF liegt. Hieraus ergibt sich eine
Empfindlichkeit von ca. 0,175 pF/% rF. Überraschenderweise
zeigt sich eine sehr geringe Hysterese, die mit den Kurven
in Fig. 2 veranschaulicht ist. Gemäß Kurve 1 ist der
Sensor einer zwischen 15% und 90% veränderbaren relativen
Feuchte bei 25°C ausgesetzt. Nach einer Lagerung des
Sensors über eine Dauer von ca. 6 Stunden bei einer Tempe
ratur von 50°C und einer relativen Feuchte von 50% ist
der Sensor gemäß Kurve 2 erneut einer veränderbaren Feuchte
von 15% bis 90% und im Anschluß daran gemäß Kurve 3 von
90% auf 15% ausgesetzt.
Überraschend ist nicht nur die geringe Hysterese sondern
auch die hervorragende Reproduzierbarkeit der 25°C-Charak
teristik. Die drei 25°C-Kennlinien 1, 2, 3 weisen unter
einander nur eine maximale Abweichung von 0,25 pF auf, was
einer Feuchteabweichung von 1,5% rF entspricht.
Diese hervorragende Reproduzierbarkeit beweist auch die
unter praktischen Bedingungen durchgeführten Messungen, wie
sie mit dem Diagramm gemäß Fig. 3 belegt sind.
Hiernach wurde der Feuchtesensor zunächst wiederum einer
veränderbaren Feuchte von 15% bis 90% bei 25°C ausge
setzt (Kurve 4). Nach einer zweiwöchigen Lagerung im
Freiluftwetterhaus, während welcher der Sensor den Tages-
und Nachrhythmen von Temperatur, Feuchte und Sonnenein
strahlung ausgesetzt wurde, wurde der Sensor gemäß Kurve 5
erneut der oben beschriebenen Feuchteänderung unterworfen.
Im Anschluß daran wurde die Hysteresekennlinie gemäß Kurve
6 aufgenommen.
Wie die Kurven zeigen, liegt die Reproduzierbarkeit der
Kapazität in einem Bereich von ±0,25 pF, was einer Schwan
kungsbreite der Feuchte von nur ±1,5% entspricht.
Wie die Kurve in Fig. 4 veranschaulicht, besitzt der
erfindungsgemäße Feuchtesensor auch ein hervorragendes
Langzeitverhalten im Hochfeuchtebereich. Über eine Meßdauer
von 21 Tagen (ca. 35 000 Minuten) liegt die Kapazität
nahezu konstant bei ca. 113 pF.
Das Meßergebnis zeigt, daß die Drift der Kapazität bei nur
1,4 pF liegt, was einer Feuchtedrift von 9% entspricht.
Claims (3)
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1. Kapazitiver Feuchtesensor, bestehend aus einem Konden
sator mit wenigstens zwei die Elektroden bildenden
metallischen Schichten, von welchen die eine auf einem
elektrisch hoch isolierendem Träger angeordnet ist und
die zweite, außen gelegene wasserdampfdurchlässig ist,
wobei zwischen den Elektroden ein feuchteempfindlicher
Polymerfilm als Dielektrikum vorgesehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Polymerfilm (14) ganz oder zum
Teil aus Polyetherimid besteht.
2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (11) aus Glas oder Keramik und eine der
beiden Elektroden (12) aus Tantal, Tantal/Tantaloxid,
Gold, Gold/Nickel oder Silber/Palladium und die andere
wasserdampfdurchlässige Elektrode (15) aus Gold beste
hen.
3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf dem Träger (11) von einander elek
trisch isoliert zwei Anschlußelektroden (12, 16) aus
Tantal bzw. Tantal/Tantaloxid angeordnet sind, von
welchen die eine (12) von dem Polymerfilm (14) voll
ständig überdeckt ist, welcher auf seiner äußeren Seite
mit einer wasserdampfdurchlässigen Elektrode (15) aus
Gold verbunden ist, die mit einem seitlich überstehen
den Rand mit der anderen Elektrode (16) kontaktiert
ist.