FI99054C - Kapasitiivinen kosteusanturi - Google Patents

Description

99054

Kapasitiivinen kosteusanturi

Keksintö liittyy kosteusanturiin, joka käyttää orgaanista polymeeriä kosteudelle herkkänä materiaalina.

5

Tavanomainen yllämainittua tyyppiä oleva kosteusanturi käyttää orgaanista polymeeriä, esim. selluloosa-asetaattibu-tyraattia (tästä lähtien sitä yksinkertaisesti kutsutaan "SAB":ksi), kosteudelle herkkänä materiaalina, ja käyttää 10 hyväksi sähköisen kapasitanssin muutosta kosteusherkässä kalvossa, joka on muodostettu tällaisesta kosteudelle herkästä materiaalista kosteuden ilmaisemiseksi, kuten on esitetty japanilaisessa julkisessa patenttihakemuksessa no. 62-88951 .

1 5 SABrlla, jossa on 17% butyryyliemästä, ja jota tyypillisesti käytetään kosteusherkkänä materiaalina yllämainitun tyyppisessä tavanomaisessa kosteusherkässä elementissä, on veden imeytymismäärä noin 70 - 90 mg/g tasapainotilassa lämpöti-20 lassa 30°C ja suhteellisessa kosteudessa 90°RH. Veden imey-tymismäärän ja suhteellisen kosteuden välistä suhdetta selvitetään tuonnempana yksityiskohtaisesti.

Kosteusherkällä elementillä, jonka kosteusherkkä kalvo on 25 tehty on tehty SAB:sta, on 2 - 4 %RH hystereesi (erotus kosteusherkässä ominaisuudessa kosteuden absorption ja desorption välillä) noin 25°C:ssa ja 5 minuutin mittausvä-leillä. Siten ei ole mahdollista vähentää hystereesiä alle 1 %RH, mitä pidetään ideaalisena. Hystereesi on myös lämpö-30 tilasta riippuvaista ja lisääntyy 2-3 %RH:lla 40°C:ssa verrattuna 25°C:ssa saatuun arvoon, mikäli muut olosuhteet ovat samoja.

Lisäksi, jos yllämainitun tyyppinen kosteusherkkä elementti 35 jätetään samaan atmosfääriin pitkäksi aikaa, kosteuden vaikutus, jolle elementti on aiemmin ollut alttiina, aiheuttaa muutoksen hystereesissä ja kosteusherkässä ominaisuudessa.

2 99054

Erityisesti, jos elementti on jätetty, esim. 11 %RH suhteelliseen kosteuteen ja huoneen lämpötilaan pitkäksi aikaa, hystereesi lisääntyy alkuarvosta 2 %RH arvoon 4-6 %RH. Jos sama elementti jätetään 84 %RH suhteelliseen kosteuteen ja 5 huoneen lämpötilaan pitkäksi aikaa, hystereesi vähenee alkuarvosta, so. 2 %RH arvoon 1 %RH. Kuitenkin suhteessa kos-teusherkkyyden ominaisuuskäyrään, lähtö lisääntyy 5-7 %RH:lla suhteellisessa kosteudessa alueella 10-90 %RH, so. lähdössä esiintyy ryömintää. Lisäksi sähköisen kapasitanssin 10 arvon suhteellisessa kosteudessa 90 %RH suhde arvoon suhteellisessa kosteudessa 10 %RH (C90/C10) vaihtelee, kun elementtiä käytetään kauan.

Lisäksi korkeassa lämpötilassa ja suuren kosteuden ympäris-15 tössä, kosteuden tiivistyessä, veden tippuessa, lämpötilan ja kosteuden jakso ja niin edelleen myös aiheuttaa elementin kosteusherkkyyden ominaiskäyrän ryömintää suureksi osaksi positiiviseen suuntaan.

20 Nämä ongelmat aiheutuvat siitä, että yllämainitussa kosteus-herkässä elementissä käytetyn kosteusherkän materiaalin veden imeytymismäärä on liian suuri ollakseen ideaalinen kapasitanssi- tai impedanssityyppinen kosteusherkkä elementti. Täten kosteusherkkään materiaaliin absorboituneen 25 veden vuorovaikutus aiheuttaa muutoksen elementin vasteessa ja tasapainossa imeytyneen veden määrässä mitatussa kosteus-atmosfäärissä aiheuttaen näin ryömintää elementin lähdössä.

Keksinnön tavoitteet ja yhteenveto 30

Edellämainittujen ongelmien valossa esillä olevalla keksinnöllä on tavoitteena tuoda esille kosteusherkkä elementti, jolla on pieni hystereesi erilaisissa käyttölämpötiloissa korkeasta matalaan lämpötilaan.

Toisena tavoitteena esillä olevalla keksinnöllä on tuoda esille kosteusherkkä elementti, joka kykenee kehittämään

II

35 3 99054 stabiilin lähdön erilaisissa käyttöolosuhteissa, kuten suuri kosteus, korkea lämpötila, jaksoittaisesti vaihteleva kosteus, pieni kosteus, kosteuden tiivistyminen, veden tippuminen ja niin edelleen.

5 Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi esillä olevan keksinnön mukaiselle kapasitiiviselle kosteusanturille on tunnusomaista patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa esitetyt asiat.

10 Nämä ja muut esillä olevan keksinnön tavoitteet, piirteet ja edut tulevat ilmeisiksi seuraavasta parhaiden toteutusmuotojen yksityiskohtaisesta kuvauksesta viittaamalla oheisiin piirustuksiin. Parhaana pidetyt toteutusmuodot kuvataan epäitsenäisissä vaatimuksissa.

1 5

Kuvio 1 on perspektiivikuva, joka näyttää keksinnön mukaisen kosteusherkän elementin toteutusmuodon.

Kuvio 2 on kuviossa 1 näytetyn kosteusherkän elementin 20 tasonäkymä ylhäältä.

Kuvio 3 on käyrä, joka näyttää veden imeytymismäärän ja keksinnön kosteusherkän elementin hystereesin välisen suhteen.

25

Kuvio 4 on käyrä, joka näyttää veden imeytymismäärän ja keksinnön kosteusherkän elementin kapasitanssisuh-teen välisen suhteen.

30 Kuvio 5 on käyrä, joka näyttää veden imeytymismäärän ja tavanomaisen kosteusherkän elementin (SAB sisältäen 17% butyryyliemästä) suhteellisen kosteuden välisen suhteen; ja 35 kuvio 6 on käyrä, joka näyttää tavanomaisen kosteusherkän elementin (SAB, jossa on 17% butyryyliemästä) kos-teusherkkyyden ominaiskäyrän.

4 99054

Esillä olevan keksinnön mukaisen kosteusherkän elementin toteutusmuotoa kuvataan nyt kuvioihin 1 ja 2 viitaten.

Näissä piirustuksissa on esitetty eristävä substraatti 1, 5 joka on tehty esim. alumiinioksidista, lasista, termisesti hapetetusta piistä tai vastaavasta, ja sen yläpinnalla on alempi elektrodi 2, joka on tehty esim. platinasta. Kosteus-herkkä kalvo 3 on pinottu päälle ja poikki alemman elektrodin 2. Tämä kalvo on tehty polymeerisestä kosteusherkästä 10 materiaalista, jonka pääasiallinen komponentti on joko polyeetterisulfoni (tämän jälkeen yksinkertaisesti viitataan "PES":iin ) tai polysulfoni.

Ylempi elektrodi 4, joka on tehty esim. kullasta, muodoste-15 taan kosteusherkän kalvon 3 päälle. Toisin sanoen kosteus-herkkä kalvo 3 on kerrostettu alemman 2 ja ylemmän 4 elektrodin väliin. Johtimet 2a, 4a on kytketty alempaan ja ylempään elektrodiin 2, 4 vastaavasti muutoksen havaitsemiseksi sähköisessä kapasitanssissa vasteena kosteusherkän kalvon 3 20 suhteelliseen kosteuteen.

Kosteusherkkä kalvo 3 voi olla tehty polymeerisestä kosteus-herkasta materiaalista, mikä käsittää polysulfoonin, poly-eetterisulfoonin, polyeetteri-imidin, polybenzimidalin, 25 polyeetterin, polyimidin, polyamidi-imidin, polyphenileeni-oksidin, polykarbonaatin, polyallyleetin, polymetakryylihap-pometyylin, polyakrylonitriilin, polyetheleeniterephtalaa-tin, polyeetterieetteriketonin, polyasetaalin tai vastaavan.

30 Tällaiset polymeerimateriaalit on vastaavasti pinnoitettu kvartsivärähtelijän päälle noin 10pm:n, tai vähemmän, paksuudelta kosteusherkkien kalvojen muodostamiseksi. Kosteus-herkät kalvot sijoitetaan sitten vakiokosteuden omaavaan atmosfääriin vastaavan veden imeytymismäärän mittaamiseksi 35 noin 30°C:ssa perustuen kvartsivärähtelijän värähtelytaajuuden muutokseen.

5 99054

Kukin yllämainituista polymeerimateriaaleista myös päällystetään alemmalle elektrodille 2, joka on laitettu eristävän substraatin päälle, noin 10pm:n, tai vähemmän, paksuudelta kosteusherkän kalvon 3 muodostamiseksi, jonka päälle ylempi 5 elektrodi 4 muodostetaan kuten yllä on mainittu. Tällä rakenteella sähköisen kapasitanssisuhteen ja suhteellisen kosteuden välinen suhde mitataan noin 30°C:ssa. Samat mittaukset suoritetaan myös tavanomaisesti käytetystä selluloo-sa-asetaattibutyraatista tehdylle kosteusherkälle kalvolle 10 3. On huomattava, että veden imeytymismäärä ja kosteusherk- kyyden ominaiskäyrä lievästi vaihtelevat johtuen polymeeri-kalvon muodostusmenetelmästä, kalvon paksuudesta, hehkutus-menetelmästä, ylemmän elektrodin 4 muodostusmenetelmästä jne., kuten näkyy kuviosta 6.

1 5

Yllämainitun mittauksen tuloksista saatiin selville, että selluloosa-asetaattibutyraattikalvolla (sisältäen 17% buty-ryyliemästä) on veden imeytymismäärä noin 70 - 90 mg, hystereesi 2-4 %RH ja sähköinen kapasitanssisuhde (C90/C10) 20 1.21 - 1.42, kun taas selluloosa-asetaattibutyraattikalvolla (sisältäen 50% butyryyliemästä) on veden imeytymismäärä 40 -60 mg, hystereesi 1-2 %RH ja sähköinen kapasitanssisuhde (C90/C10) 1.10 - 1.20. Polymetakryylihappometyylikalvolla saatiin tyydyttävä tulos, jolloin veden imeytymismäärä on 25 10 - 30 mg, hystereesi 0.5 - 1.0 %RH ja C90/C10 1.07 - 1.15.

• Hyvät tulokset saatiin myös polyeetterisulfonilkalvolla ja polysulfonikalvolla. Edellisellä on veden imeytymismäärä 10-30 mg, hystereesi 0.5 - 1.5 %RH ja C90/C10 1.12 - 1.17 ja jälkimmäisellä veden imeytymismäärä on 10 - 15 mg, hyste-30 reesi 0.2 - 1.0 %RH ja C90/C10 1.05 - 1.08.

: Mittaustuloksista ilmenee, että polymeerimateraalissa olevi en vesimolekyylien määrä aiheuttaa suuren muutoksen kosteus-herkkyyden ominaiskäyrässä.

Erityisesti, suhteellisen kosteuden alueella alle 60 %RH on veden imeytymismäärä 35 - 40 mg/g ja siitä johtuen hysteree- 35 6 99054 si on 0.3 - 0.4 %RH samalla kun kosteusherkkyyden ominais-käyrän lineaarisuus on sangen tyydyttävä. Kuitenkin suhteellisen kosteuden alueella yli 60 %RH veden imeytymismäärä ylittää 40 mg/g, jolloin vuorovaikutusta esiintyy vesimole-5 kyylien parissa ja siitä syystä hystereesi asteittain lisääntyy. Esim., kun mittaukset suoritetaan suhteellisessa kosteudessa 10 %RH, 70 %RH ja 10 %RH vastaavasti, maksimi veden imeytymismäärä oli 40 - 45 mg/g ja hystereesi 1.2 - 1.5 %RH. Samalla, kun mittaukset suoritettiin suhteellisessa 10 kosteudessa 10 %RH, 80 %RH ja 10 %RH vastaavasti, maksimi veden imeytymismäärä oli 50 - 55 mg/g ja hystereesi 1.5 - 2.1 %RH. Näistä tuloksista voidaan nähdä, että hystereesi kasvaa, kun veden imeytymismäärä lisääntyy. Tällainen suuri hystereesi aiheuttaa anturin lähdön lineaarisuuden huonone-15 mistä.

Ylläolevista tuloksista ilmenee, että polymerimateriaalin veden imeytymismäärän ja kosteusherkkyyden ominaiskäyrän välillä on läheinen korrelaatio. Jos hystereesin odotetaan 20 olevan esim. alle 1 %RH, veden imeytymismäärän ei pitäisi olla yli 40 mg/g. On ymmärrettävä, että tässä näytetyt tiedot ovat tyypillisiä, ja hystereesi vaihtelee riippuen valmistusmenetelmästä, valmistusolosuhteista, mittausmenetelmästä, mittausolosuhteista, kosteudesta, jolle ele-25 mentti on aiemmin ollut alttiina ja vastaavasta. Siten : ominaispiirrekäyrillä, jotka on esitetty kuvioissa 3 ja 4, saattaa olla tietty leveys. Sivumennen sanoen, kun kuvioissa 1 ja 2 esitetty kosteusherkkä elementti on tehty polymeeri-materiaalista, jolla veden imeytymismäärä on 10 - 40 mg/g 30 suhteellisessa kosteudessa 90 %RH, sen kapasitanssisuhde (C90/C10) on 1.05 - 1.2.

Yllä kuvatussa toteutusmuodossa kosteusherkkää elementtiä 35 käytetään lämpötilavälillä -30 - 100°C, niin ettei ilmene ongelmia kosteusherkän kalvon 3 muodostavien polymeerimateriaalien suhteen, esim. ylemmän elektrodin 4 tuhoutumista

II

7 99054 tai suurempaa anturin ominaispiirteiden muuttumista ei tapahdu. Dielektrisen läpilyöntijännitteen suhteen on havaittu, että 0.5 - 10 pm:n paksuinen polymeerikalvo kestää siihen kohdistuvia 1.5 - 5 V (+/-) jännitteitä. Lisäksi kun 5 elementtiä mitattiin värähtelypiirin yhteydessä, mitään ongelmaa ei ilmennyt tilavuuteen sisältyvän vastuksen suhteen .

Kuten yllä on kuvattu, keksintö voi tarjota parannetun kos-10 teusherkän elementin, jolla saavutetaan alle yhden prosentin hystereesi ja lämpötilariippuvuuden eliminointi. Keksinnön mukainen kosteusherkkä elementti voi myös ylläpitää stabiilia lähtöä ja sähköistä kapasitanssisuhdetta, vaikka se jätetään samaan atmosfääriin pitkäksi aikaa. Lisäksi kos-15 teusherkkyyden ominaiskäyrän ryömintä on melko pientä, vaikka se jätetään korkean lämpötilan ja suuren kosteuden atmosfääriin, kosteuden tiivistyessä, veden tippuessa, lämpötila- ja kosteussykliin jne..

20 Koska monia muutoksia yllä olevaan rakenteeseen voidaan tehdä ja monia ilmeisesti laajalti erilaisia esilläolevan keksinnön toteutusmuotoja voitaisiin tehdä poikkeamatta sen puitteista, on tarkoitus, että kaikki yllä olevaan selitykseen sisältyvä tai oheisissa piirustuksissa näytetty asia 25 tulkitaan kuvaavassa eikä rajoittavassa mielessä.

Claims (5)

99054

1. Kapasitiivinen kosteusanturi, johon kuuluu kosteusherkkä kalvo (3) kalvo, joka on tehty polymeerimateriaalista, 5 kosteusherkän kalvon (3) paksuuden ollessa alueessa 0,5 pm -10 pm; ja kaksi elektrodia (2,4), joiden väliin kosteusherkkä kalvo (3) on sijoitettu voileipämäisesti; tunnettu siitä, että kosteusherkän kalvon veden imemismäärä on alueella 10-40 mg/g tasapainotilassa lämpötilassa 30°C ja 10 suhteellisessa kosteudessa 90 % RH, ja että kapasitiivinen kosteusanturi käsittää lisäksi substraatin (1), jolle kyseiset kaksi elektrodia (2,4) ja kosteusherkkä kalvo (3) on asennettu.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että kosteusherkkä kalvo (3) on tehty polymeerimateriaalista, jonka kuormituksen alainen terminen poikkeutuslämpötila on yli 120°C, tai jonka lämmönkestävyys-lämpötila on yli 100°C. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että kosteusherkkä kalvo (3) on tehty polymeerimateriaalista, jonka lasittumislämpötila on 100°C, tai sulamispiste on yli 150°C. 25

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että sanottu kosteusherkkä kalvo (3) on tehty polymeerimateriaalista, jonka tilavuusvastus on yli 1014 Q/cm3. 30

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että kosteusherkkä kalvo (3) on tehty polymeerimateriaalista, jonka dielektrinen läpilyönti jännite on yli 14KV/mm. n 35 99054 .Patentkrav