DE69021925T2

DE69021925T2 - Feuchtigkeitsempfindliches Element.

Info

Publication number: DE69021925T2
Application number: DE69021925T
Authority: DE
Inventors: Toru Abe; Takaaki Kuroiwa; Tetsuya Miyagishi
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1990-04-24
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2010-04-25
Also published as: EP0395349A2; EP0395349B1; EP0395349A3; EP0395349B2; US5069069A; DE69021925D1; DE69021925T3

Description

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Feuchtigkeitsmesser, der als feuchtigkeitsempfindliches Material ein organisches Polymeres verwendet.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein bekannter kapazitiver Feuchtigkeitssensor der vorstehend erwähnten Art verwendet ein organisches Polymeres, beispielsweise Celluloseacetatbutyrat (nachfolgend kurz als "CAB" bezeichnet) als feuchtigkeitsempfindliches Material und benutzt eine elektrische Kapazitätsveränderung in aus solchem feuchtigkeitsempfindlichem Material gebildeten feuchtigkeitsempfindlichen Film, um Feuchtigkeit festzustellen, wie in der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung Nr. 62-88951 offenbart.
CAB mit 17% Butyrylbasis, das typischerweise als feuchtigkeitsempfindliches Material in der obengenannten Art bekannter feuchtigkeitsempfindlicher Elemente verwendet wird, hat eine Wasseraufnahmemenge von ungefähr 70-90 mg/g in einer Gleichgewichtsbedingung bei einer Temperatur von 30ºC und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90% RH. Das Verhältnis zwischen der Wasseraufnahmemenge und der relativen Feuchtigkeit wird später näher erörtert.
Ein solches feuchtigkeitsempfindliches Element mit einem feuchtigkeitsempfindlichen Film aus CAB zeigt 2 bis 4 % RH Hysterese (Unterschied in den Charakteristika der Feuchtigkeitsempfindlichkeit zwischen den Vorgängen der Feuchtigkeitsaufnahme und Feuchtigkeitsabgabe) bei ungefähr 25ºC und Meßintervallen von 5 Minuten. Deshalb ist es nicht möglich, die Hysterese auf weniger als 1% RH, was als ideal angesehen wird, herabzusetzen. Die Hysterese ist auch temperaturabhängig und um 2 bis 3% RH bei ungefähr 40ºC höher als bei dem Wert bei 25ºC, wenn die anderen Bedingungen gleichbleiben.
Außerdem bedingt, wenn die vorgenannte Art eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements in der gleichen Atmosphäre für längere Zeit belassen wird, die Einwirkung der Feuchtigkeit, der das Element vorher ausgesetzt war, eine Veränderung in der Hysterese und den Charakteristika der Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Wenn das Element beispielsweise bei einer relativen Feuchtigkeit von 11 % RH und Zimmertemperatur für lange Zeit belassen wird, steigt die Hysterese von einem ursprünglichen Wert von 2% RH auf 4-6% RH an. Wenn das gleiche Element für lange Zeit einer relativen Feuchtigkeit von ungefähr 84% RH und Zimmertemperatur ausgesetzt wird, sinkt die Hysterese von dern ursprünglichen Wert, nämlich 2% RH, auf ungefähr 1% RH. Das Ausgangssignal im Hinblick auf die Charakteristika der Feuchtigkeitsempfindlichkeit steigt um 5-7% RH bei relativen Feuchtigkeiten zwischen 10 und 90% RH, was bedeutet, daß eine Verschiebung des Ausgangssignals eintritt. Außerdem verändert sich ein Verhältnis eines elektrischen Kapazitätswerts bei einer relativen Feuchtigkeit von 90% RH im Vergleich zu einer relativen Feuchtigkeit von 10% RH (C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0;), wenn das Element lange Zeit benutzt wird.
Außerdem bewirken eine hohe Temperatur und hohe Feuchtigkeitsumgebung, Feuchtigkeitskondensation, Wassereintauchen, ein Temperatur- und Feuchtigkeitszyklus usw., daß die Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika des Elements weit in die positive Richtung verschoben werden.
Diese Probleme werden durch die Tatsache verursacht, daß eine Wasseraufnahmemenge (Wasserabsorptionsverhältnis) des in dem obengenannten konventionellen feuchtigkeitsempfindlichen Element verwendeten feuchtigkeitsempfindlichen Materials zu groß ist, um ein feuchtigkeitsempfindliches Element der idealen Kapazitanz- oder Impedanz-Art zu sein. Die Einwirkung von in dem feuchtigkeitsempfindlichen Material absorbierten Wassermolekülen bewirkt so eine Veränderung im Verhalten des Elements und eine äquilibrierte Wasseraufnahmemenge in einer gemessenen Feuchtigkeitsatmosphäre und führt zu einer Verschiebung des Ausgangssignals des Elements.
US 3 582 728 offenbart ein kapazitives feuchtigkeitsempfindliches Element, das einen feuchtigkeitsempfindlichen dielektrischen Kern und mit den gegenüberliegenden Oberflächen des Kerns fest verbundene Elektrodenschichten verwendet. Der Kern und eine Matrix der Elektrodenschichten sollten in der Lage sein, wenigstens 1% ihres eigenen Trockengewichts an Feuchtigkeit aufzunehmen, wenn sie einer 95%igen Feuchtigkeit bei 21ºC (70ºF) ausgesetzt sind.
EP-A1-0010771 offenbart ein feuchtigkeitsempfindliches Element mit den Merkmalen der Preambel des Anspruchs 1. Dieses Element umfaßt einen feuchtigkeitsempfindlichen Kunststoffmaterialfilm zwischen einer Goldelektrode und einem anderen Metallfilm. Dieser Kunststoffmaterialfilm kann Polysulfon sein. Die Eigenschaften und Synthese von Polysulfon und Polyethersulfon werden in H.G. Elias et al "Neue Polymere Werkstoffe für die industrielle Anwendung", 2. Auflage, S. 212-219 (Carl Hanser Verlag, München, 1983) erörtert.

ZIELE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf die vorgenannten Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein feuchtigkeitsempfindliches Element bereitzustellen, das eine kleine Hysterese in einer Vielzahl von Einsatzbedingungen von einer hohen bis zu einer tiefen Temperatur hat.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements, das in der Lage ist, ein stabiles Ausgangssignal unter einer Vielzahl von Benutzungsbedingungen, wie beispielsweise hoher Feuchtigkeit, hoher Temperatur, cyclisch sich verändernde Feuchtigkeit, niedrige Feuchtigkeit, Feuchtigkeitskondensation, Wassereintauchen usw., zu erzeugen.
Um diese Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor zur Verfügung, der umfaßt:
einen feuchtigkeitsempfindlichen Film aus einem Polymermaterial, der eine Wasseraufnahme im Bereich zwischen 10 und 40 mg/g im Gleichgewicht bei einer Temperatur von 30ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 90% hat, wobei die Dicke des feuchtigkeitsempfindlichen Films im Bereich von 0,5 um bis 10 um liegt;
zwei Elektroden, zwischen denen der feuchtigkeitsempfindliche Film eingebettet ist und ein Substrat, auf dem die zwei Elektroden und der feuchtigkeitsempfindliche Film angeordnet sind.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements, das eine geringe Temperaturabhängigkeit hat und demgemäß in einem weiten Temperaturbereich von einer hohen bis zu einer niedrigen Temperatur verwendet werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements, das eine kleine Hysterese und eine schnelle Antwort in einem verwendbaren Bereich von einer hohen Temperatur bis zu einer niederen Temperatur und von einer hohen bis zu einer niederen Feuchtigkeit hat.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements, das in der Lage ist, ein stabiles Ausgangssignal unter irgendeiner der schweren Bedingungen, wie hohe Feuchtigkeit, hohe Temperatur, cyclisch sich verändernde Feuchtigkeit, geringe Feuchtigkeit, Feuchtigkeitskondensation, Wassereintauchen usw., zu liefern.
Um diese Ziele zu erreichen, schlägt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein feuchtigkeitsempfindliches Element vor, das einen feuchtigkeitsempfindlichen Film umfaßt, der aus einem Polymer, einschließlich Polyethersulfon, als einer Hauptkomponente besteht.
Diese und andere Ziel, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug auf die begefügten Zeichnungen zu entnehmen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform des feuchtigkeitsempfindlichen Elements gemäß der Erfindung zeigt;
Figur 2 ist eine Draufsicht des feuchtigkeitsempfindlichen Elements der Figur 1;
Figur 3 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen der Wasseraufnahmemenge und der Hysterese von feuchtigkeitsempfindlichen Elementen zeigt;
Figur 4 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen der Wasseraufnahmemenge und dem Kapazitanz-Verhältnis feuchtigkeitsempfindlicher Elemente zeigt;
Figur 5 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen der Wasseraufnahmemenge und der relativen Feuchtigkeit von feuchtigkeitsempfindlichen Elementen zeigt;
Figur 6 ist eine Graphik, die die Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika eines bekannten feuchtigkeitsempfindlichen Elements (CAB mit 17% Butyrylbasis) zeigt;
Figur 7a und 7b sind Graphiken, die die Temperaturabhängigkeit eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements, das Polyethersulfon und Polysulfon benutzt, zeigen;
Figur 8 ist eine Graphik, die die Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika des feuchtigkeitsempfindlichen Elements gemäß der Erfindung zeigt; und
Figur 9 ist eine Graphik, die die Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charateristika eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements des Standes der Technik zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine Ausführungsform eines feuchtigkeitsempfindlichen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschrieben.
In diesen Zeichnungen wird ein isolierendes Substrat, beispielsweise aus Tonerde, Glas, thermisch oxidiertem Silikon oder dergleichen bereitgestellt, und auf dessen oberer Oberfläche wird eine untere Elektrode 2, beispielsweise aus Platin, gebildet. Ein feuchtigkeitsempfindlicher Film 3 wird auf und quer über die untere Elektrode 2 aufgeschichtet. Dieser Film 3 besteht aus einem polymeren feuchtigkeitsempfindlichen Material, dessen Hauptkomponente Polyethersulfon (nachfolgend kurz als "PES" bezeichnet) oder Polysulfon ist. Eine obere Elektrode 4, beispielsweise aus Gold, wird auf dem feuchtigkeitsempfindlichen Film 3 gebildet. Mit anderen Worten ist der feuchtigkeitsempfindliche Film 3 zwischen der unteren und der oberen Elektrode 2, 4 eingebettet. Leitungen 2a, 4a werden mit der unteren und der oberen Elektrode 2, 4 verbunden, um die Änderung in einer elektrischen Kapazitanz entsprechend der relativen Feuchtigkeit des feuchtkeitsempfindlichen Films 3 zu messen.
Der feuchtigkeitsempfindliche Film 3 kann aus einem polymeren feuchtigkeitsempfindlichen Material bestehen, das Polysulfon, Polyethersulfon, Poletherimid, Polybenzimidazol, Polyether, Polyimid, Polyamidimid, Polyphenilenoxid, Polycarbonat, Polyallylat, Polymethacrylsäuremethyl, Polyacrylonitril, Polybutylenterephthalet, Polyethylenterephthalet, Polyetheretherketon, Polyetherketon, Polyacetal oder dergleichen umfaßt.
Solche Polymermaterialien werden auf einen Quartzvibrator in einer Dicke von ungefähr 10 um oder weniger aufgetragen, um feuchtigkeitsempfindliche Filme zu bilden. Die feuchtigkeitsempfindlichen Filme werden dann in eine konstante Feuchtigkeitsatmosphäre gebracht, um die jeweilige Wasseraufnahmemenge bei ungefähr 30ºC auf der Basis eines Wechsels in der Oszillierfrequenz des Quartzvibrators zu messen.
Jedes der vorgenannten Polymermaterialien wurde auf die untere Elektrode 2, die auf dem isolierenden Substrat 1 angebracht ist, in einer Dicke von ungefähr 10 um oder weniger geschichtet, um den feuchtigkeitsempfindlichen Film 3 zu bilden, auf dem die obere Elektrode 4 gebildet wird, wie vorstehend erwähnt. Mit dieser Struktur wird das Verhältnis zwischen dem elektrischen Kapazitanz-Verhältnis und der relativen Feuchtigkeit bei ungefähr 30ºC gemessen. Die gleichen Messungen wurden auch mit dem feuchtigkeitsempfindlichen Film 3 aus konventionell verwendetem Celluloseacetatbutyrat durchgeführt. Es sollte bemerkt werden, daß die Wasseraufnahmemenge und die Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika in Abhängigkeit einer Bildungsmethode des Polymerfilms, einer Filmstärke, der Verbindungsmethode, der Methode der Bildung der oberen Elektrode 4 usw. schwankt, wie in Figur 6 gezeigt.
Aufgrund dieser Messungen wurde gefunden, daß der Celluloseacetatbutyrat-Film (mit 17% Butyrylbasis) eine Wasseraufnahmemenge von 70 bis 90 mg/g, eine Hysterese von 2-4% RH und ein elektrisches Kapazitanz-Verhältnis (C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0;) von 1,21 bis 1,42 hat, während der Celluloseacetatbutyrat-Film (mit 50% Butyrylbasis) eine Wasseraufnahmemeng von 40-60 mg/g, eine Hysterese von 1-2% RH und ein elektrisches Kapazitanz-Verhältnis (C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0;) von 1,10-1,20 hat. Bei einem Polymethacrylsäuremethyl-Film wurden befriedigende Ergebnisse erreicht, wobei die Wasseraufnahmemenge 10-30 mg/g, eine Hysterese 0,5-1,0% RH und C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0; 1,06-1,15 betragen. Gute Ergebnisse wurden auch mit einem Polyethersulfon- Film und einem Polysulfon-Film erreicht. Ersterer hatte eine Wasseraufnahmemenge von 10-30 mg/g, eine Hysterese von 0,5-1,5% RH und C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0; von 1,12-1,17, während letzterer eine Wasseraufnahmemenge von 10-15 mg/g, eine Hysterese von 0,2-1,0% RH und C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0; von 1,05-1,08 hatte.
Es ist aus diesen Meßergebnissen ersichtlich, daß die in einem Polymermaterial enthaltene Menge an Wassermolekülen eine große Änderung in den Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika bedingt.
Genauer beträgt in einem relativen Feuchtigkeitsbereich unter 60% RH die Wasseraufnahmemenge 35-50 mg/g und deshalb die Hysterese 0,3-0,4% RH, wo die Linearität der Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika ganz zufriedenstellend ist. In einem relativen Feuchtigkeitsbereich über 60% RH übersteigt die Wasseraufnahmemenge jedoch 40 mg/g, wodurch Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen auftreten und deshalb die Hysterese graduell vergrößert wird. Wenn beispielsweise die Messungen bei einer relativen Feuchtigkeit von 10% RH, 70% RH und 10% RH durchgeführt wurden, betrug die größte Wasseraufnahmemenge 40-45 mg/g und die Hysterese 1,2-1,5% RH. Wurden die Messungen bei einer relativen Feuchtigkeit von 10% RH, 80% RH und 10% RH durchgeführt, lag die größte Wasseraufnahmemenge bei 50-55 mg/g, und die Hysterese betrug 1,5- 2,1% RH. Aus diesen Ergebnissen kann entnommen werden, daß mit einer Vergrößerung der Wasseraufnahmemenge die Hysterese größer wird. Eine solche größere Hysterese zerstört die Linearität des Sensorausgangssignals.
Es ist aus diesen Ergebnissen ersichtlich, daß eine enge Beziehung zwischen der Wasseraufnahmemenge eines Polymermaterials und den Feuchtigkeitsempfindlichkeits- Charakteristika besteht. Wenn die Hysterese unter beispielsweise 1% RH erwartet wird, sollte die Wasseraufnahmemenge nicht größer als 40 mg/g sein. Es ist darauf hinzuweisen, daß die hier gezeigten Daten typische sind und die Hysterese sich ändern kann in Abhängigkeit der Herstellungsmethode, der Herstellungsbedingungen, der Meßmethode, der Meßbedingungen, der Feuchtigkeit, der das Element vorher ausgesetzt war, und dergleichen. Deshalb können die in Figur 3 und 4 gezeigten Charakteristika-Kurven eine gewisse Schwankungsbreite haben. Wenn ein feuchtigkeitsempfindliches Element, wie in Figur 1 und 2 gezeigt, aus einem Polymermaterial mit einer Wasseraufnahmemenge von 10-40 mg/g bei einer relativen Feuchtigkeit von 90% RH besteht, ist sein Kapazitätsverhältnis (C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0;) 1,05-1,2.
In der vorbeschriebenen Ausführungsform wird das feuchtigkeitsempfindliche Element bei einer Temperatur zwischen -30 und 100ºC verwendet, so daß in Bezug auf die thermischen Charakteristika des den feuchtigkeitsempfindlichen Film 3 bildenden Polymermaterials keine Probleme, wie beispielsweise die Zerstörung der oberen Elektrode 4 oder eine große Änderung der Sensorcharakteristika, eintreten können. Im Hinblick auf die elektrische Durchschlagsstärke wurde gefunden, daß ein Polymerfilm mit einer Dicke von 0,5-10 um gegen eine angelegte Spannung von ±1,5-±5 V beständig ist. Wenn das Element in Kombination mit einer oszillierenden Schaltung gemessen wurde, gab es außerdem keine Probleme im Hinblick auf den volumeninhärenten spezifischen Widerstand.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein verbessertes feuchtigkeitsempfindliches Element zur Verfügung, das weniger als 1% Hysterese und den Ausschluß der Temperaturabhängigkeit erreicht. Das feuchtigkeitsempfindliche Element der vorliegenden Erfindung behält ein stabiles Ausgangssignal und ein stabiles elektrisches Kapazitanz-Verhältnis auch dann bei, wenn es in der selben Atmosphäre für lange Zeit gelassen wird. Die Verschiebung der Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika ist außerdem sehr klein, selbst wenn es in hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeitsatmosphäre, Feuchtigkeitskondensation, Wassereintauchen, Temperatur- und Feuchtigkeits-Zyklus usw. belassen wird.
Die Graphiken der Figuren 3, 4 und 5 wurden mit den hier genannten Materialien, nämlich Celluloseacetatbutyrat (mit 17% Butyrylbasis), Celluloseacetatbutyrat (mit 50% Butyrylbasis), Polyethersulfon, Polymethacrylsäuremethyl und Polysulfon, erhalten. Die Wasseraufnahmemenge und die Hysterese ändern sich geringfügig in Abhängigkeit von der Methode der Polymerfilmbildung, der Verbindungsmethode und der Methode der Bildung der oberen Elektrode. Mögliche Bereiche der Wasserabsorptionsmenge und der Hysterese der verschiedenen Materialien werden durch Rechtecke in der beigefügten Figur 3 angezeigt. Wie zu sehen ist, ist die Kurve der Figur 3 eine Kombination der möglichen Bereiche der Wasseraufnahmemengen und der Hysterese der fünf vorstehend genannten Materialien. Figuren 4 und 5 wurden in gleicher Weise wie Figur 3 erhalten.
Tabelle 1 zeigt die Charakteristika der obengenannten Polymermaterialien. Tabelle 1 Material Wasseraufnahmemenge (mg/g) Hysterese (%RH) Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika C&sub9;&sub0;/C&sub1;&sub0; Polysulfon Polyethersulfon Polyetherimid (PEI) Polybenzoimidal Polyether Polyimid (PI) Polyamidimid Polyphenilenoxid Polycarbonat Polyallylet Polymethacrylsäuremethyl Polybutylenterephthalet(PBT) Polyethylenterephthalet(PFT) Polyetheretherketon Polyetherketon Polyacetal keine Daten
Ein spezielles Herstellungsverfahren für das vorstehend genannte feuchtigkeitsempfindliche Element wird nachstehend erläutert.
Zuerst werden 10-40 g PES-Pulver in einem gemischten Lösungsmittel, typischerweise hergestellt aus 20 ml Dimethylformamid, 80 ml Cyclohexanon und 25 ml Methylethylketon, gelöst, um eine PES-Lösung zu erhalten. Diese PES-Lösung wurde dann auf die untere Elektrode 2, die auf dem isolierenden Substrat 1 gebildet ist, mittels einer Drehbeschichtungsmethode aufgebracht und dann in einer Stickstoffatmosphäre bei Zimmertemperatur getrocknet, um den feuchtigkeitsempfindlichen Film 3 mit einer Dicke zwischen 0,5 und 5 um zu bilden. Die Drehvorrichtung rotiert typischerweise mit einer Geschwindigkeit von 500-5000 UpM.
Nach diesem Trocknen bei Zimmertemperatur wird das Element bei einer Temperatur zwischen 160ºC und 240ºC mindestens eine Stunde getempert. Dann wird die obere Elektrode 4 mit einer Dicke im Bereich von 50-1000 A auf dem isolierenden Material, auf dem der feuchtigkeitsempfindliche Film gebildet ist, mittels einer Dampfablagerungsmethode oder einer Zerstäubungsmethode gebildet. Das für die Elektrode 4 benutzte Metall ist nicht auf Gold beschränkt, und jedes korrosionsfreie Metall, wie Palladium, Platin, Chrom oder dergleichen kann anstelle von Gold verwendet werden. Die untere Elektrode 2 wird auf dem isolierenden Substrat 1 durch Ablagerung von Platin mittels Dampfablagerung, Zerstäubungsmethode oder dergleichen in einer Dicke von 1000 bis 10000 A gebildet.
Da der feuchtigkeitsempfindliche Film 3, wie vorstehend erwähnt, durch Auflösen von PES-Pulver in einer aus Dimethylformamid, Cyclohexan und Methylethylketon bestehenden Lösungsmittelmischung, Auftragen der Lösung in einer kleinen Menge auf die vorher auf dem isolierenden Substrat 1 gebildete untere Elektrode und Trocknen der aufgebrachten Lösung bei Zimmertemperatur gebildet wird, wird das Lösungsmittel abgedampft unter Zurücklassen eines dünnen Polymeren hoher Dichte, wodurch es möglich ist, die Wasseraufnahmemenge auf 0,2-0,4 Gew.-% sehr weit herabzusetzen und ebenso die Hysterese.
Ein gleicher Effekt kann erhalten werden, wenn ein einzelnes Lösungsmittel mit starker Polarität, wie Dimethylformamid, Cyclohexan und Methylethylketon, anstelle der vorstehend genannten Lösungsmittelmischung verwendet wird.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der feuchtigkeitsempfindliche Film aus Polysulfon anstelle des vorstehend erwähnten PES gebildet. In diesem Fall erfolgt der Temperungsprozeß bei einer Temperatur zwischen 140ºC und 200ºC für mindestens 1 Stunde nach dem Trocknen bei Zimmertemperatur, um den gleichen Effekt wie in der ersten Ausführungsform zu erhalten.
Das Polysulfon und PES haben die nachstehend gezeigten Strukturformeln: POLYSULFON
Beim Vergleich dieser beiden Materialien miteinander hat an der entsprechenden Stellung Polysulfon C(CH&sub3;)&sub2; und PES SO&sub2;, so daß das Polysulfon eine um ein Drittel größere Wasseraufnahmemenge und Empfindlichkeit als PES hat. Solche Verringerungen der Wasseraufnahmemenge und der Empfindlichkeit verursachen in der Praxis jedoch keine Probleme und es ist deshalb möglich, ein aus Polysulfon hergestelltes feuchtigkeitsempfindliches Element bereitzustellen, das eine geringe Temperaturabhängigkeit und eine geringe Verschiebung seines Ausgangssignals auch bei Bedingungen mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit hat.
Figuren 7a und 7b sind Graphiken, die das Verhältnis zwischen elektrischer Kapazitanz und relativer Feuchtigkeit des feuchtigkeitsempfindlichen Films 3 der ersten und zweiten Ausführungsform zeigen. Es ist zu bemerken, daß die Messungen der beiden feuchtigkeitsempfindlichen Filme bei einer Frequenz von 100 KHZ und einer Temperatur von 10ºC, 25ºC und 40ºC mittels eines LCZ-Meßgeräts erfolgten. Es ergibt sich aus diesen Zeichnungen, daß Feuchtigkeitsempfindlichkeits-Charakteristika mit sehr geringer Temperaturabhängigkeit erhalten wurden. Da die festgestellten Ausgangssignale nicht unter Schwankungen aufgrund der Temperatur leiden, ist eine Temperaturkompensationsschaltung nicht erforderlich. Die Figuren 7a und 7b zeigen auch das befriedigende Ergebnis, daß die Hysterese unter 1% RH bei einer Messung ungefähr 2 Minuten, nachdem ein konstantes Feuchtigkeitsbad stabil wurde, liegt.
Figur 8 zeigt das Verhältnis zwischen vergangener Zeit und Verschiebungsmengen im Ausgangssignal von feuchtigkeitsempfindlichen Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer relativen Feuchtigkeit von 10, 30, 50, 60, 70 und 90% RH.
Figur 9 zeigt die gleichen Charakteristika für ein feuchtigkeitsempfindliches Element unter Verwendung eines konventionellen Celluloseacetatbutyrats als feuchtigkeitsempfindliches Material unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend genannt zu Vergleichszwecken. Es ist aus diesen Zeichnungen ersichtlich, daß das feuchtigkeitsempfindliche Element vorliegender Erfindung ein stabiles Feuchtigkeitsempfindlichkeits- Charakteristikum mit geringerer Verschiebung im Vergleich zu dem bekannten feuchtigkeitsempfindlichen Element, wie in Figur 9 gezeigt, aufweist. Die Hysterese ist unter 1% RH, gemessen ungefähr 2 Minuten, nachdem ein konstantes Feuchtigkeitsbad stabil wurde. Aufgrund dieser Meßergebnisse kann gesagt werden, daß das feuchtigkeitsempfindliche Element der vorliegenden Erfindung eine gute Reproduzierbarkeit und ein stabiles Kapazitanz-Verhältnis sogar dann hat, wenn es bei einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeitsatmosphäre benutzt wird oder in dieser Atmosphäre für eine lange Zeit belassen wird. Es ist ferner anzuerkennen, daß das Feuchtigkeitselement seine ursprünglichen Charakteristika reversibel wiedergewinnen kann, wenn es einer hohen Temperatur und einer Atmosphäre mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wurde und dann in eine Raumtemperaturatmosphäre zurückgebracht wird.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird das sandwichartige feuchtigkeitsempfindliche Element beispielhaft erklärt, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Typ beschränkt. Es bedarf keiner Erwähnung, daß die gleichen Wirkungen, wie sie vorstehend erwähnt wurden, auch erzielt werden können, wenn die vorliegende Erfindung auf ein feuchtigkeitsempfindliches Element des Kammtyps angewendet wird, das ein Paar von kammartigen Dünnfilmelektroden, die auf einem isolierenden Substrat einander gegenüberliegend gebildet sind, und einen die kammartigen Dünnfilmelektroden bedeckenden feuchtigkeitsempfindlichen Film hat.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird die Feuchtigkeit auf der Basis eines elektrischen Kapazitanz-Wechsels in Bezug auf eine relative Feuchtigkeit des feuchtigkeitsempfindlichen Films bestimmt. Alternativ kann die Feuchtigkeit auch auf der Basis eines Widerstandswechsels im Hinblick auf die relative Feuchtigkeit bestimmt werden.
Der feuchtigkeitsempfindliche Film in den vorstehenden Ausführungsformen kann in geeigneter Form auch für einen Feuchtigkeitssensor benutzt werden, in dem der feuchtigkeitsempfindliche Film auf einem Quartzvibrator gebildet ist und der die Feuchtigkeit auf der Basis einer Resonanzfrequenz-Verschiebung bestimmt, die durch die Wasseradsorption des feuchtigkeitsempfindlichen Films bedingt wird, wie in einem Feuchtigkeitssensor, in dem der feuchtigkeitsempfindliche Film auf einem oberflächenelastischen Wellenelement gebildet ist und der die Feuchtigkeit auf der Basis eines Wechsels der Geschwindigkeit einer durch das oberflächenelastische Wellenelement hindurchgehenden Welle bestimmt.
Da viele Änderungen in der vorstehenden Konstruktion gemacht werden können und viele offensichtlich weit differierende Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne deren Umfang zu verlassen, ist es die Absicht, daß alle in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Gegenstände nur als Erläuterung und nicht in beschränken dem Sinne zu verstehen sind.

Claims

1. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser umfassend:

einen feuchtigkeitsempfindlichen Film (3) aus einem Polymermaterial, wobei die Dicke des feuchtigkeitsempfindlichen Films (3) im Bereich zwischen 0,5 um und 10 um liegt, und

zwei Elektroden (2,4), zwischen denen der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) eingebettet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film eine Wasseraufnahmefähigkeit in einem Bereich zwischen 10 und 40 mg/g im Gleichgewicht bei einer Temperatur von 30ºC und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90% hat, und der kapazitive Feuchtigkeitsmesser außerdem ein Substrat (1) umfaßt, auf dem die zwei Elektroden (2,4) und der feuchtkeitsempfindliche Film (3) angebracht sind.

2. Eine kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) aus einem Polymermaterial gemacht ist, dessen thermische Biegetemperatur unter Belastung über 120ºC oder dessen Wärmewiderstandstemperatur über 100ºC liegt.

3. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) aus einem Polymermaterial besteht, dessen Glasumwandlungstemperatur 100ºC oder dessen Schmelzpunkt über 150ºC ist.

4. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) aus einem Polymermaterial gemacht ist, dessen Volumen-Resistivität über 10¹&sup4; Omega/cm³ beträgt.

5. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsempfindliche Film (3) aus einem Polymermaterial gemacht ist, dessen dielektrische Durchschlagstärke über 14 KV/mm beträgt.

6. Ein kapazitiver Feuchtkeitsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen empfindlichen Film (3), der aus einem Polymer mit Polyethersulfon als Hauptbestandteil besteht.

7. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen feuchtigkeitsempfindlichen Film (3), der aus Polyethersulfon besteht und bei einer Temperatur im Bereich zwischen 160ºC und 240ºC getempert ist.

8. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen feuchtigkeitsempfindlichen Film (3), der aus einem Polymer mit Polysulfon als einem Hauptbestandteil besteht.

9. Ein kapazitiver Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen feuchtigkeitsempfindlichen Film (3), der aus Polysulfon besteht und bei einer Temperatur im Bereich zwischen 140ºC und 200ºC getempert ist.