DE4023778C2 - Kapazitiver Feuchtigkeitssensor und Verfahren zur Herstellung des Sensors - Google Patents

Kapazitiver Feuchtigkeitssensor und Verfahren zur Herstellung des Sensors

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor gemäß Oberbegriff des Anspruches 1, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Feuchtigkeitssensors gemäß Oberbegriff des Anspruches 4.
Die Erfindung soll einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor mit schnellem Ansprechen, guter Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und guten Hysterese- Eigenschaften ermöglichen.
Aus der veröffentlichten finnischen Patentanmeldung 71998 ist eine kapazitive Struktur bekannt, bei der sowohl eine der leitenden Schichten als auch die dielektrische Schicht mit Spalten versehen sind, die es dem dielektrischen Material erlauben, direkt mit der Umgebungsluft in Kontakt zu treten. Diese Spalten werden dadurch erzeugt, daß die leitende Oberfläche durch Vakuumdampfabscheidung eines Materials hergestellt wird, welches derart hohe innere Spannungen zeigt, daß sein Aufbrechen in der angrenzenden dielektrischen Schicht ebenfalls Spalten verursacht.
Wenn sich jedoch diese Spalten bis zu der dielektrischen Schicht erstrecken, verschlechtern sich die Hysterese- und Stabilitätseigenschaften des Sensors. Es ist bekannt, daß die sogenannte Kapillarkondensation in engen Lücken und Kapillaren bei beträchtlich niedrigerer Feuchtigkeit auftreten als auf einer glatten Oberfläche, und ferner, daß Kapillarkondensation durch eine Hysterese gekennzeichnet ist (d. h. die Kondensation findet bei einem höheren RH-Pegel statt als der umgekehrte Effekt der Verdampfung). Zum Beispiel findet Kondensation in einer zylindrischen, endseitig geschlossenen Kapillare statt, wenn der Innenradius rk der Kapillare kleiner ist als der entsprechend der folgenden Gleichung erhaltene Wert:
rk = (2γM)/(rRTln(Ps/P))
wobei
γ = Oberflächenspannung von Wasser (72,75 dyn/cm bei 20°C)
M = Molekulargewicht von Wasser (18,02 g/mol)
r = Dichte von Wasser (1,00 g/cm3)
R = Gaskonstante (8,31 J/(molK))
T = absolute Temperatur
Ps = Partial-Sättigungsdruck von Wasser
Falls zum Beispiel die relative Feuchtigkeit 90% beträgt (das heißt Ps/P = 1,1111), findet eine Kondensation in allen Kapillaren statt, deren Radius 0,01 µm oder kleiner ist.
Des weiteren bewirken die Spalten in der dielektrischen Schicht eine Konzentration bzw. Zusammenfassung der mögli­ chen inneren Spannungen auf einzelne Punkte, was wiederum einen schädlichen Einfluß auf die Langzeit-Stabilität des Sensors ausübt.
Außerdem können sich Verunreinigungen, die sich in den Spal­ ten ansammeln, ungünstig auf die Meßergebnisse auswirken.
Aufgrund der obigen Darlegungen ist es für die Eigenschaften des Sensors von Vorteil, zu verhindern, daß sich die Spalten der Elektrode bis in die dielektrische Schicht erstrecken, wie es in der veröffentlichten Patentanmeldung 71998 beschrieben ist, oder alternativ die Spalten in der dielek­ trischen Schicht mit beispielsweise einer passenden Kunst­ stoffschicht zu füllen, wobei ein Verlangsamen der Reaktion des Sensors fast vollständig durch eine zweckmäßige Auswahl des Materials verhindert werden kann. Das Auftreten von Spalten in der dielektrischen Schicht war jedoch bei der Verwendung herkömmlicher Produktionsmethoden unvermeidlich.
Aus der DE 29 47 050 C3 ist eine Sensorstruktur bekannt, bei welcher auf einem Halbleitersubstrat eine als Festkörperstruktur ausgebildete dielektrische Schicht und auf dieser eine spezielle Elektrode angeordnet ist, die von einer Leiterschicht gebildet wird, die über die Oberfläche gleichförmig mit bis zur dielektrischen Schicht reichenden Löchern versehen ist. Bei der bekannten Konstruktion wird die spezielle Elektrode auch als Gitterelektrode bezeichnet. Auch bei dieser Sensorstruktur nach der soeben erwähnten Druckschrift ist nicht auszuschließen, daß sich die Löcher oder Zwischenräume der elektrischleitenden Schicht bis in die dielektrische Schicht selbst hinein fortsetzen, wodurch die zuvor diskutierten Nachteile entstehen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der herkömmlichen Technologie, wie sie oben beschrieben sind, zu bewältigen, und einen vollkommen neuen kapazitiven Feuchtigkeitssensor, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor der eingangs erwähnten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst.
Die Erfindung basiert im wesentlichen darauf, daß mindestens eine leitende Schicht des Sensors mit einem Zufallsmuster von Spalten versehen ist, während die angrenzende dielektrische Schicht frei von Spalten ist.
Des weiteren weist die Erfindung eine kapazitive Vorrichtung mit einer leitenden Schicht mit einem Zufallsmuster von Spalten auf, wobei diese Spalten mit einer dünnen zweiten Schicht aus dielektrischem Material bedeckt sind.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die elektrisch leitende Schicht hergestellt wird mit naturgemäß ausgebildeten Spalten aus einem Material mit hohen inneren Spannungen unter Verwendung von Vakuumabscheidung auf eine isolierende Schicht aus einem dielektrischen Material, welches mittels eines langsam verdampfenden Weichmachers weichgemacht wird, wodurch die in der leitenden Schicht ausgebildeten Spalten daran gehindert werden, die dielektrische Schicht zu brechen.
Die Erfindung weist signifikante Vorteile auf.
Der erfindungsgemäße Sensor kann den Kapillareffekt und die daraus folgende Hysterese verringern und bei einigen Ausfüh­ rungsbeispielen der Erfindung sogar vollständig eliminieren. Die Langzeitstabilität des Sensors ist des weiteren durch das Vermeiden von Brüchen in der dielektrischen Schicht ver­ bessert. Des weiteren ist die Verschlechterung der Eigen­ schaften des Sensors durch Kontamination wegen der spalt­ freien dielektrischen Schicht vermindert.
Wenn die leitende obere Schicht von einer zweiten dielektri­ schen Schicht bedeckt wird, wird die Bildung von Kapillaren vollständig verhindert. Die Auswahl eines Materials mit hoher Wasserdurchlässigkeit erbringt eine außergewöhnlich schnelle Ansprechzeit.
Des weiteren wird ein extrem wirksamer Schutz gegen Korro­ sion erreicht, wenn die zweite dielektrische Schicht eine gute Haftung zu den darunterliegenden Schichten bietet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine ausschnittsweise Draufsicht eines Feuchtig­ keitssensors gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine längs der Linie A-A aus Fig. 1 geschnittene Seitenansicht des kapazitiven Feuchtigkeitssensors;
Fig. 3 einen Ausschnitt des kapazitiven Feuchtigkeitssen­ sors aus Fig. 1 in Seitenansicht nach der Beschichtung der leitenden Schicht mit einer dielektrischen Schicht.
Gemäß Fig. 1 und 2 kann ein Sensor 6 zum Beispiel auf einem Glassubstrat 4 hergestellt werden, so daß zuerst eine erste leitende Elektrode 1, die beispielsweise eine anodisch oxi­ dierte Tantalschicht sein kann, am nächsten auf dem Substrat 4 liegt. Als nächstes wird die erste leitende Elektrode 1 mit einer Schicht 3 aus dielektrischem Material beschichtet, welches typischerweise ein geeignetes Polymer wie beispiels­ weise Zelluloseacetat-Butyrat ist. Die dielektrische Schicht 3 wird von einer zweiten leitenden Elektrode 2 aus bei­ spielsweise Chrom oder einem anderen geeigneten Material, welches sehr verschleißfest ist, bedeckt. Die zweite lei­ tende Elektrode 2 muß aus einem Material sein, welches sich bei inneren Spannungen zusammenzieht, wenn es als dünne Schicht hergestellt wird. Diese Vorgehensweise hat eine Vielzahl von Spalten 7 in der zweiten Elektrode 2 zur Folge. Die (nicht näher dargestellten) Anschlußleitungen einer Meßvorrichtung für den dielektrischen Faktor sind mit den Elektroden 1 und 2 des Sensors bei einer Kontaktfläche 8 verbunden.
Gemäß Fig. 3 kann die zweite leitende Elektrode 2 des Sen­ sors von einer zweiten dielektrischen Schicht 5 bedeckt sein, durch welche Wasserdampf diffundieren kann, um die erste dielektrische Schicht 3 zu erreichen. Geeignete Mate­ rialien für die zweite dielektrische Schicht sind beispiels­ weise Zelluloseacetat und quervernetztes Polyvenylpyrroli­ don.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist gekenn­ zeichnet durch eine gute Haftung der zweiten dielektrischen Schicht 5 sowohl mit der leitenden Elektrode 2 mit den Spal­ ten 7 als auch mit der ersten dielektrischen Schicht 3.
Der erfindungsgemäße Sensor kann folgendermaßen hergestellt werden.
Die erste Elektrode 1 wird auf einem Glassubstrat 4 unter Verwendung einer (an sich bekannten) Dünnfilmtechnologie, beispielsweise anodischer Oxydation, hergestellt. Eine Poly­ merschicht 3 wird auf die erste Elektrode 1 durch beispiels­ weise langsames Abheben des Glassubstrates 4 von einem flüs­ sigen Polymer hergestellt, wobei eine dünne, in dem Lösungs­ mittel gelöste Kunststoffschicht auf dem Glassubstrat 4 ver­ bleibt.
Das Lösungsmittel des dielektrischen Materials kann bei­ spielsweise eine Mischung von NMP (N-Methylpyrrolidon) und Alkohol sein, worin das NMP-Lösungsmittel die langsam ver­ dampfende Komponente bildet, und das Polymer Zelluloseace­ tat-Butyrat ist. Das Polymer wird etwa 10 Minuten bei 150°C vorgetrocknet. Der Alkohol verdampft dabei, das Polymer jedoch verbleibt durch den NMP-Weichmacher (Plastizierer) in weichem bzw. plastischem Zustand. Dann wird eine Oberflä­ chenelektrode 2 aus beispielsweise Chrom auf die weichge­ machte Polymerschicht abgeschieden. Die Elektrode 2 wird bis zu einer Dicke von ca. 0,1 bis 1 µm abgeschieden. Die Sen­ sorstruktur wird etwa drei Tage bei einer Temperatur von 150°C nachgebacken, wodurch der NMP-Weichmacher verdampft und die dielektrische Schicht zu ihrer endgültigen Härte polymerisiert.
Alternativ kann der Gebrauch des langsam verdampfenden Lösungsmittels als weichmachendes Mittel der dielektrischen Schicht dadurch entfallen, daß die dielektrische Schicht in einem weichen Zustand durch höhere Prozeßtemperatur gehalten wird, wobei der Sensor auf beispielsweise 180°C während der Bedampfung der Oberflächenelektrode 2 gehalten werden muß. Eine wesentliche Bedingung ist, daß die Temperatur des Substrates oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg bzw. der Schmelztemperatur liegt.
Gemäß Fig. 3 wird die zweite dielektrische Schicht 5 durch Eintauchen in einen Flüssigkunststoff hergestellt, wobei ein bei der ersten Schicht 3 verwendetes vergleichbares Verfah­ ren angewandt wird. Eine wesentliche Bedingung ist, daß das für das flüssige Polymer verwendete Lösungsmittel nicht die erste Schicht 3 auflöst. Alternativ kann die zweite dielek­ trische Schicht durch Plasmapolymerisation von einem geeigneten Monomer (beispielsweise Stryrol) hergestellt wer­ den, wobei eine gute Haftung zwischen den Schichten erreicht wird.

Claims (8)

1. Kapazitiver Feuchtigkeitssensor (6), der mit einer Meßvorrichtung für den dielektrischen Faktor verbunden werden kann, wobei der Sensor aufweist:
eine delektrische Schicht (3), deren dielektrischer Faktor sich proportional zu dem in der Schicht absorbierten Feuchtigkeitsgehalt ändert, und
mindestens zwei galvanisch getrennte leitende Schichten (2, 1), welche die dielektrische Schicht (3) umgeben, wobei die obere (2) der leitenden Schichten der kapazitiven Vorrichtung mit einem Zufallsmuster von Spalten (7) versehen ist, welche eine unmittelbare Verbindung der Umgebungsluft mit der dielektrischen Schicht (3) ermöglichen,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Zufallsmuster durch ein Sichzusammenziehen der betreffenden leitenden Schicht (2) gebildet ist und die dielektrische Schicht (3) aus einem Polymer hergestellt ist, das sich bei der Herstellung der leitenden Schicht (2) in einem weichen Zustand befindet.
2. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (2) mit den Spalten von einer zweiten dielektrischen Schicht (5) bedeckt ist, welche es ermöglicht, daß Wasserdampf in die erste dielektrische Schicht (3) diffundieren kann.
3. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite dielektrische Schicht (5) sowohl an der leitenden Elektrodenschicht (2) mit den Spalten, als auch an der ersten dielektrischen Schicht (3) fest anhaftet.
4. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors (6), bei dem
eine erste leitende Elektrode (1) auf einem isolierenden Substrat (4) hergestellt wird,
eine dielektrische Schicht (3) auf der ersten leitenden Elektrode (1) hergestellt wird, und
eine zweite leitende Elektrode (2) auf der dielektrischen Schicht (3) gebildet wird, welche aus einem Material mit hohem Abnutzungswiderstand besteht, das sich unter Innenspannung zusammenzieht, wenn es als dünne Schicht hergestellt wird und Spalten (7) in der zweiten leitenden Schicht (2) bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite leitende Elektrode (2) auf der dielektrischen Schicht (3) hergestellt wird, während sich die dielektrische Schicht noch in weichem Zustand befindet, wobei die Spalten (7), die auf der zweiten leitenden Schicht (2) gebildet sind, daran gehindert werden, sich in die dielektrische Schicht (3) zu erstrecken.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (2) mit den Spalten (7) mittels einer Vaduumverdampfung auf der weichgemachten dielektrischen Schicht (3) hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (3) aus einem Kunststoffmaterial hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht mittels eines langsam verdampfenden Lösungsmittels in einem weichen Zustand gehalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (3) mittels erhöhter Temperatur in weichem Zustand gehalten wird, wobei der Sensor (6) während der Verarbeitung der zweiten leitenden Elektrode (2) auf einer Temperatur von ca. 180°C gehalten wird.
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