ES2219788T3 - Captador capacitativo de la medicion de la humedad y procedimiento de fabricacion de estos captadores. - Google Patents

Abstract

Captador capacitativo de medición de la humedad comprendiendo dos electrodos (1, 3a) separados por un material dieléctrico (2), realizándose uno de los electrodos (3a) por medio de una hoja de metal no porosa, y estando el otro electrodo (1) en contacto directo con el material dieléctrico (2), caracterizado porque el otro electrodo (1) se halla constituido por un material poroso no metálico dispuesto formando una capa espesa y convertido en conductor por medio de la inclusión de una pluralidad de partículas conductoras de la electricidad.

Description

Captador capacitativo de la medición de la humedad y procedimiento de fabricación de estos captadores.

La presente invención se refiere a una nueva tecnología para la realización de captadores capacitativos, destinados, más en particular, a efectuar mediciones de la humedad relativa. Se verá, sin embargo, que la tecnología y las formas de realización que se describen en el marco de la presente invención pueden también aplicarse a la constitución de captadores capaces de ser utilizados para llevar a cabo otras mediciones.

Se conocen ya varios métodos para la realización de captadores capacitativos y para la utilización de estos captadores para efectuar mediciones de la humedad.

La tecnología utilizada consiste en realizar dos electrodos planos, entre cuyos electrodos se sitúa un material cuyas características dieléctricas se vean modificadas por la presencia (o no) de humedad en el aire ambiente. La modificación de las características del dieléctrico provoca una variación de la capacidad del condensados realizado de esta manera, de tal forma que la señal de salida proporciona una información sobre el contenido del aire en humedad. El tratamiento de esta señal de salida no plantea ningún problema especial, pudiendo realizarse, por ejemplo, por medio de un circuito R-C o R-L-C.

De acuerdo con una técnica ya conocida, uno de los electrodos se realiza por deposición de una capa metálica sobre un substrato aislante y el otro mediante una fina capa metálica sobre el dieléctrico. En una forma de realización corrientemente utilizada, se procede a una metalización bajo vacío, lo que da como resultado un muy reducido espesor de metal. Para que un captador capacitativo funcione como un captador de humedad, resulta en efecto indispensable que el aire húmedo que se trata de controlar pueda penetrar en el interior del condensador de manera que pueda ejercer una influencia sobre el dieléctrico. Se comprende, pues, que resulte necesario realizar un electrodo poroso particularmente fino. Si se realiza este electrodo a base de metal, teniendo en cuenta la estructura atómica de los metales, el límite entre la continuidad eléctrica y la estanqueidad se alcanza para espesores del orden de 1/100 micrones, y ello sea cual sea el metal que en cada caso concreto se utilice (por lo general, cromo, níquel u oro). Además de una relativa fragilidad del captador, esta forma de realización adolece de numerosos inconvenientes; en particular, la realización de una conexión fiable entre este electrodo particularmente fino y el circuito de medición extremadamente delicada. Por otra parte, se ha constatado que los captadores capacitativos que se realizan actualmente requieren una sucesión de operaciones minuciosas y delicadas; se deposita en un primer tiempo metal sobre un substrato y ello sobre dos zonas distintas, sirviendo una zona de primer electrodo y utilizándose la otra como contactor para el segundo electrodo. El conjunto es entonces recubierto con una película dieléctrica, que se halla interrumpida a nivel de la zona de contacto prevista para el segundo electrodo. En fin, se procede a la colocación en posición del segundo electrodo, es decir, a la deposición de una película metálica sobre un espesor del orden de una centésima de micrón. Como se comprende, resulta necesario ajustar la superficie útil de al menos un electrodo en vistas a obtener la capacidad que se desee para un determinado porcentaje de humedad. Para llevar a cabo este calibrado a posteriori se han ya propuesto diferentes métodos; puede especialmente citarse la patente francesa FR-2 687 834 (COREC) que prevé una pluralidad de puentes susceptibles de ser desconectados, y la patente inglesa GB-2 213 323 (VAISALA) que preconiza ajustar la superficie útil de un electrodo, aislándolo por un procedimiento láser a través del substrato sin modificar el dieléctrico. En cualquier caso, el procedimiento es el mismo; se realiza un captador capacitativo siguiendo el procedimiento al que anteriormente se ha hecho referencia adoptando un máximo de precauciones y después se miden sus propiedades o características y se procede seguidamente a los ajustes indispensables para obtener una respuesta utilizable.

Cualesquiera que sean las condiciones, los captadores capacitativos realizados según los procedimientos a los que se ha hecho referencia, tienen tendencia a comportarse como unas "esponjas", es decir, sus materiales constitutivos se impregnan de aire húmedo (especialmente en la zona substrato/metal del primer electrodo), de manera que presentan una cierta histéresis y que su respuesta puede ser errónea durante los minutos o las horas consecutivas a una exposición en una atmósfera saturada de humedad, o incluso a una inmersión en un líquido.

El carácter imperfecto e insatisfactorio de los captadores capacitativos de medición de la humedad ha quedado ya, pues, abundantemente demostrada; los captadores son particularmente frágiles, su grado de precisión se sitúa dentro del orden de un 10% sobre el valor medido, no son intercambiables, se hallan sujetos a la saturación y su procedimiento de fabricación resulta, al mismo tiempo, largo, delicado y oneroso.

Otro tipo de captador capacitativo de medición de la humedad aparece descrito en el documento US-5 177 662. Este captador comprende dos electrodos porosos realizados bajo la forma de una capa de polímero poroso que se ha convertido en conductora mediante la inclusión de partículas conductoras tales como partículas de carbono. Sin embargo, la resistencia eficaz de estos electrodos es del orden de 15 000\Omega.

El dieléctrico utilizado es una película de polímero absorbente de aproximadamente 10 \mum de espesor, tal como poliamida o ácido poliparabánico.

Este captador presenta, pues, una estructura enteramente porosa.

Además, en el documento EP-A-O 010 771 se divulga un captador tal como el que se describe en el preámbulo de la reivindicación 1.

La invención propone realizar unos captadores que palian el conjunto de los inconvenientes que han quedado expuestos.

Un objetivo de la presente invención estriba en realizar un captador capacitativo de medición de la humedad cuya fabricación queda simplificada, especialmente a nivel del acoplamiento de los electrodos y del dieléctrico y de la fijación de los contactos de obtención de información.

Otro objetivo de la invención estriba en permitir proponer unos captadores capacitativos particularmente robustos y fiables y que, en especial, no experimenten una degradación o una modificación de sus características después de haber experimentado ciclos de helada-deshielo o después de una inmersión.

Otro objetivo de la invención estriba en permitir la realización de elementos sensibles flexibles adaptables a soportes de forma alabeada o curva.

Un objetivo complementario de la invención estriba en permitir la realización de elementos sensibles independientes que puedan ser directamente conexionados a circuitos de medida pasivos o activos.

Otro objetivo de la invención estriba en proponer unos captadores que presenten unas tolerancias de fabricación de valores de base del orden de 0,25%, permitiendo la intercambiabilidad sin nueva regulación con una tolerancia metrológica del orden de un 1%.

Un objetivo complementario de la invención estriba en proponer unos captadores capacitativos que presentan una constancia de sus propiedades y rendimientos y una de saturación instantánea después de una fase de saturación (100% Hr) mantenida durante un largo periodo.

El objetivo final de la invención estriba en prever unos captadores de humedad cuya relación de cualidades (precisión, robustez, reproductibilidad, fiabilidad)/precio resulte muy sensiblemente mejorada con respecto a la tecnología existente. Ello debería permitir el acceso a aplicaciones en grandes series tales como los electrodomésticos, la climatización, el automóvil o la peri-informática conservando al mismo tiempo un rendimiento metrológico y una fiabilidad muy elevados.

El conjunto de estos objetivos, así como otros que aparecerán en lo que sigue, se alcanzan por medio de un captador capacitativo de medición de la humedad de acuerdo con la reivindicación 1.

Se ha visto anteriormente en relación con la técnica anterior que, si se realizan a base de metal, estos electrodos deben satisfacer dos criterios difícilmente compatibles entre sí; por una parte, los electrodos deben presentar una pérdida de carga lo más reducida posible (porosidad) con objeto de poner al material integrante del dieléctrico (polímero) en equilibrio con el gas ambiente; por otra parte, los electrodos deben garantizar una continuidad eléctrica. Estos resultados pueden únicamente obtenerse mediante la deposición de un metal bajo vacío sobre un espesor bastante importante para garantizar la continuidad eléctrica y suficientemente reducido para evitar que el electrodo se comporte como una película continua impidiendo cualquier intercambio gaseoso, lo que impediría la utilización del condensador como captador de humedad. De acuerdo con la presente invención, esta contradicción se resuelve porque uno de los electrodos se halla constituido por una hoja de metal no poroso y el otro por un metal poroso no metálico dispuesto formando una capa espesa y convertido en conductor mediante la inclusión de una pluralidad de partículas conductoras de la electricidad. El término poroso se utiliza aquí en el sentido de no totalmente estanco al vapor de agua.

La utilización de un electrodo bajo la forma de una hoja metálica no porosa ofrece diferentes ventajas: para empezar, la hoja metálica, que se halla constituida por un metal macizo, sirve directamente de substrato para el depósito dieléctrico, mientras que de acuerdo con la técnica anterior, el metal se deposita bajo vacío sobre un substrato de vidrio por ejemplo, lo que determina que existan defectos de heterogeneidad en el depósito, tanto en lo que afecta a su naturaleza como en lo que respecta a su nivel. En efecto, cuando se deposita el metal, no queda recubierta ni uniformemente ni totalmente la superficie del substrato: existen, pues, en determinados puntos lagunas metálicas y en otros unas expansiones debidas a un sobreespesor de la deposición. Todos estos inconvenientes quedan eliminados de acuerdo con la invención, al utilizarse una hoja perfectamente laminada con un acabado pulido especular que constituye, pues, un material único y continuo desprovisto de cualquier diferencia de nivel. Además, esta hoja maciza desarrolla funciones de barrera de manera que el vapor de agua queda permanece aprisionado en el dieléctrico y no en el electrodo.

De una manera preferente, el material constitutivo del electrodo poroso se elegirá entre los polímeros, lo que permite obtener una ausencia de estanqueidad, incluso sobre un espesor relativamente importante (preferentemente del orden de entre 25 y 100 micrones). Este material se convertira en conductor por dopaje, es decir, mediante la inclusión en la masa de partículas conductoras de la electricidad, por ejemplo, metálicas. Resultará apropiada, por ejemplo, una resistividad del orden de entre 10 y 50\Omega. Es posible obtener un resultado idéntico eligiendo un material plástico cualesquiera con un espesor que determine que no resulte totalmente estanco, convirtiendo este material en conductor de la electricidad por cualquier sistema apropiado.

Otra ventajosa característica de los captadores que constituyen objeto de la invención estribe en el hecho de qué comporten un dieléctrico constituido por una película de polímero depositada bajo la forma de una pluralidad de capas de espesores desiguales; este procedimiento permite ajustar con mayor precisión el espesor final y la regularidad del dieléctrico, lo que tiene muy ventajosas consecuencias en cuanto a la precisión de los condensadores realizados de esta manera. Esta disposición contribuye a la obtención de condensadores dotados de una sensibilidad (Delta sobre C) constante y que, consecuentemente, pueden ser intercambiados entre sí. Debe hacerse notar que la referida película de polímero dieléctrico puede ser utilizada y montada sobre cualquier tipo de electrodos, comprendiendo los pertenecientes a la técnica anterior realizados por medio de un depósito metálico.

A pesar de estas precauciones, puede comprobarse que no se obtiene siempre una precisión óptima sobre el valor de la capacidad para un porcentaje determinado de humedad. Teniendo en cuenta el proceso de fabricación, el ajuste del condensador puede llevarse a cabo muy fácilmente y muy rápidamente: resulta, en efecto, suficiente reducir la superficie útil del electrodo poroso hasta obtener el valor que interese; esta operación puede realizarse por simple rascado o erosión del material constitutivo del electrodo poroso.

Se comprende que, por medio de esta forma de fabricación, resulta posible obtener captadores con un precio de costo industrial particularmente reducido. Aparte de sus cualidades de precisión y de reproductividad, estos condensadores resultan particularmente sólidos y quedan en condiciones de resistir sin desperfectos importantes y diferentes esfuerzos mecánicos y/o térmicos. Los condensadores presentan un alto grado de flexibilidad, lo que permitirá utilizarlos sobre superficies que no sean planas. En fin, la obtención de la información se realizará muy rápida y simplemente, preferentemente por contacto directo sobre uno u otro de los dos electrodos. Ello permite proponer condensadores flexibles, destinados a ser colocados por simple engatillado sobre circuitos o sobre conjuntos ya existentes. Incidentalmente, debe hacerse notar que esta forma de toma de informaciones resultaba irrealizable de acuerdo con la técnica anterior, dado que el reducido espesor y la fragilidad del electrodo metálico impedía cualquier colocación de una conexión por medio de hilos sobre el referido electrodo.

Aparte de los condensadores destinados a ser utilizados como captadores de humedad, la presente invención se refiere al procedimiento de fabricación de estos captadores. Este procedimiento, en la forma preferente de realización, se refiere al apilamiento sucesivo de una hoja metálica como substrato de base, de una película de polímero dieléctrico poroso y de una capa de polímero poroso cargado. Los condensadores elementales se obtienen, pues, mediante el recortado de los apilamientos que se han indicado. Resulta posible ajustar el valor de la capacidad jugando sobre la superficie útil de uno al menos de los electrodos. En fin, la obtención de la información puede realizarse por simple contacto sobre las superficies externas de los electrodos, de tal manera que los condensadores que constituyen objeto de la invención no tienen ninguna necesidad de hallarse provistos de cables de conexión.

Otras ventajas y características de la invención se desprenderán de la lectura que sigue, relativa a una forma preferente de realización de la invención y de una variante que se dan a título simplemente indicativo, y de los dibujos anexos, en los que:

- la figura 1 representa una vista en sección de un captador capacitativo de acuerdo con la invención, según una forma preferente de realización, y

- la figura 2 representa una vista en sección de un captador capacitativo de acuerdo con una variante dotada de dos electrodos porosos.

Puede comprobarse en la figura 1 que los condensadores objeto de la invención se realizan por apilamiento de una hoja de metal utilizada como primer electrodo 3a, de una película de polímero 2 de reducido espesor (aproximadamente 2 micrones), estando preferentemente constituida esta película por apilamiento de unas películas de diferentes espesores, y de un segundo electrodo 1 realizado a base de un material que no sea metálico (por ejemplo, polímero) cargado, presentando este segundo electrodo un espesor de aproximadamente 100 micrones y una resistencia eficaz del orden de entre 10 y 50 Q. Los contactos de toma de informaciones 4 y 5 se realizan directamente sobre los electrodos 1 y 3a, respectivamente.

En el procedimiento de fabricación, la hoja de metal sirve directamente como substrato de base para la deposición del dieléctrico 2 y del electrodo poroso 1. En el marco de una fabricación en series industriales, esta hoja se hallará dotada de grandes dimensiones, y el complejo realizado de esta manera se recortará a las dimensiones exactas de los condensadores.

En una forma de realización no inventiva representada en la figura 2, podrá elegirse la realización de condensadores provistos, por ejemplo, de dos electrodos porosos, separados por una película de polímero dieléctrica multicapa realizada mediante la deposición de capas dotadas de espesores diferentes. Se realizará, pues, el siguiente apilamiento.

-

una capa de polímero convertido en conductor de electricidad por medio de cargas,

-

una película de polímero multicapas,

-

una capa de polímero convertido en conductor de electricidad por medio de cargas.

También en este caso la toma de información se realizará por contacto directo sobre los dos electrodos porosos, constituyendo estos condensadores unos captadores de humedad particularmente interesantes; en particular tales condensadores se hallarán en ósmosis prácticamente total con el medio ambiente, de lo que se deduce una sensibilidad aún más importante y unos tiempos de respuesta particularmente reducidos.

Como se comprende, la descripción precedente se da a simple título indicativo y podrán elegirse otras formas de realización de los condensadores y especialmente diferentes dimensiones, sin que ello signifique apartarse del marco de la presente invención.

Claims (8)

1. Captador capacitativo de medición de la humedad comprendiendo dos electrodos (1, 3a) separados por un material dieléctrico (2), realizándose uno de los electrodos (3a) por medio de una hoja de metal no porosa, y estando el otro electrodo (1) en contacto directo con el material dieléctrico (2), caracterizado porque el otro electrodo (1) se halla constituido por un material poroso no metálico dispuesto formando una capa espesa y convertido en conductor por medio de la inclusión de una pluralidad de partículas conductoras de la electricidad.

2. Captador capacitativo según la reivindicación 1, caracterizado porque el material poroso constitutivo del electrodo (1) se elige entre los polímeros.

3. Captador capacitativo según la reivindicación 1, caracterizado porque el material poroso constitutivo del electrodo es un material plástico dotado de un espesor tal que no sea totalmente estanco.

4. Captador capacitativo según la reivindicación 1, caracterizado porque el electrodo poroso (1) presenta un espesor del orden de entre 25 y 100 micrones.

5. Captador capacitativo según una cualesquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el electrodo poroso (1) presenta una resistencia eficaz del orden de entre 10 y 50 \Omega.

6. Captador capacitativo según una cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el referido material dieléctrico (2) se presenta bajo la forma de una película de polímero que comprende una pluralidad de capas de espesores desiguales, apiladas.

7. Captador capacitativo según la reivindicación 1, caracterizado porque la obtención de informaciones se lleva a cabo por contacto directo (4 y 5) sobre uno u otro de los dos electrodos (1 y 3a).

8. Procedimiento para la fabricación de un captador capacitativo según una cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el procedimiento consiste en realizar un apilamiento sucesivo de una hoja de metal (3a), de un film de polímero multicapa (2) aislante y de una capa de polímero cargado (1).

9 Procedimiento para la fabricación de un captador capacitativo según la reivindicación 8, en el que el ajuste al valor que interese para un determinado condensador se lleva a cabo mediante la reducción de la superficie útil del electrodo poroso (1), realizándose ventajosamente esta etapa de reducción por simple rascado o erosión del material constitutivo del electrodo poroso (1).