DE3919864A1 - Kapazitiver feuchtesensor - Google Patents

Description

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, C_xH_y, 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)

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.