NL8803223A - Capacitieve vochtsensor. - Google Patents

Description

NO 35486

Capacitieve vochtsensor

De uitvinding heeft betrekking op een capacitieve vochtsensor omvattende een substraat, daarop een niet-vochtpermeabele geleidende onderlaag als eerste condensatorplaat, een diëlektrische laag, en een vochtpermeabele geleidende bovenlaag als tweede condensatorplaat, en bij de eerste en tweede condensatorplaten behorende aansluitdraden, waarbij de verandering in diëlektriciteitsconstante en derhalve in capaciteitswaarde veroorzaakt door absorptie van watermoleculen in bet diëlektrische materiaal wordt gemeten. Een dergelijke vochtsensor is bekend bijvoorbeeld uit het Amerikaanse octrooischrift 4532016.

Bij een dergelijke in feite uit een elektrische condensator bestaande sensor wordt de vochtigheid bepaald door de verandering in diëlektriciteitsconstante van het diëlektrisch medium en derhalve de verandering in capaciteitswaarde, veroorzaakt door de absorptie van watermoleculen door het diëlektrische materiaal, te meten. Wanneer bijvoorbeeld het materiaal van een droge diëlektrische laag een diëlektriciteitsconstante van 3,5 en water bij benadering er één van 80 heeft, zal het duidelijk zijn dat de door vochtabsorptie veroorzaakte verandering van capaciteitswaarde aanzienlijk kan zijn. Opdat vocht of water door de diëlektrische laag kan worden geabsorbeerd moet de bovenlaag vochtpermeabel zijn.

Deze bekende sensor heeft een glazen substraat waarop als eerste condensatorplaat een tantaalplaat is aangebracht. Deze is geano-diseerd waardoor een dunne uit tantaaloxyide bestaande isolatielaag wordt verkregen. Het deze isolatielaag wordt weerstandsverlies over het diëlektrische medium bij hogere relatieve vochtigheid of zelfs kortsluiting tussen de platen voorkomen onafhankelijk van de structuur van het diëlektrische medium. Tevens wordt het optreden van gelijkstroom verhinderd waardoor anders, als gevolg van elektrolyse, polarisatie-drift zou ontstaan. De genoemde diëlektrische laag is voldoende poreus om vocht op te nemen. De vochtpermeabele bovenlaag kan bijvoorbeeld uit poreus goud of gebarsten chroom bestaan. Chroom heeft namelijk bij op-damping op de diëlektrische laag een hoge trekkracht waardoor in het chroom en in het diëlektrium tevens barstjes ontstaan. Nadelig is evenwel dat de barstwerking, met name in het begin van de levensduur, voortgaat waardoor de capaciteitswaarde in de tijd verandert. Om dit tegen te gaan zou een temperatuursnabehandeling nodig zijn.

De vervaardiging van deze sensor brengt tevens problemen met zich mee. In het bijzonder is er een grens aan de afmeting van het dunne glazen substraat, dat verwerkt kan worden, waardoor dan de snelheid van vervaardiging wordt beperkt en de kosten hoger worden. De technieken zijn gecompliceerd en de gerede sensoren zijn zeer delicaat en de output van de vervaardiging is betrekkelijk laag. Het poreuze goud kan door industriële verontreinigingen worden aangetast terwijl het barst-proces van het chroom afhankelijk is van toevallig plaatsvindende gebeurtenissen. Ten aanzien van de gerede sensor bestaat ook het probleem dat er geen afzonderlijke voorziening is voor het adjusteren of trimmen van de meetnauwkeurigheid.

Deze groep van sensoren is geschikt voor hoge-kosten instrumentatie waarin de relatief hoge kosten van de sensor kunnen worden geabsorbeerd en waarbij de elektronische schakelingen kunnen worden getrimd en gecalibreerd teneinde de brede toleranties van de nauwkeurigheid van de sensor te accomoderen.

De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te ondervangen en een goedkope sensor te verschaffen die veel robuuster is en getrimd kan worden tijdens of na vervaardiging teneinde een onderlinge verwisselbaarheid mogelijk te maken.

Dit wordt bij een capacitieve vochtigheidssensor van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat het substraat een buigzame koperlaminaat is, waarin tenminste de genoemde geleidende onderlaag is geëtst, en dat de genoemde geleidende bovenlaag een vaste printlaag omvat met een geleidend roosterpatroon.

Bij deze uitvoering volgens de uitvinding wordt een buitengewoon goedkope sensor voor de consumentenmarkt verkregen die tevens geschikt is voor industriële toepassingen. Tevens kan deze sensor volgens de uitvinding eenvoudig worden gecalibreerd zowel onder omstandigheden van droge als van vochtige atmosfeer.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening, waarin: figuur 1 een perspectivisch aanzicht geeft van de gelaagde opbouw van een uitvoeringsvoorbeeld van een sensor volgens de uitvinding; en figuur 2 een bovenaanzicht toont van de als tweede condensa-torplaat fungerende bovenlaag van het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 1.

Zoals eerder gesteld beoogt de uitvinding een goedkope sensor voor consumenttoepassingen te verschaffen.

Volgens de uitvinding wordt nu het substraatmateriaal van glas, dat op zich uitstekend materiaal voorstelt, in de praktijk vervangen door koperlaminaat dat bijvoorbeeld bij printed-circuit borden (PCB's) veelvuldig wordt toegepast. Bij een verdere uitvoering kan dit koperlaminaat met polysiloxaan-glas textielmateriaal zijn samengesteld. Op het koperoppervlak van een dergelijke laminaat kan de niet-vochtper-meabele onderlaag als eerste condensatorplaat worden geëtst met zo nodig een tweede dunnere contactplaat daarnaast die als contactplaat voor de vocht-permeabele bovenlaag dienst doet. Aan deze onderlaag en contactlaag kunnen aansluitdraden worden bevestigd in een latere fase van de vervaardiging.

De toepassing van een dergelijke dunne buigzame PCB laminaat heeft het voordeel dat men van PCB vervaardigingstechnieken gebruik kan maken waarbij tevens het gerede resultaat een meer robuuste sensor oplevert dan die vervaardigd uit dunne-film glassubstraten. Het is dan mogelijk om van grotere substraten uit te gaan bijvoorbeeld resulterend in een aantal van 50 x 50 = 2500 sensoren. Onder bepaalde omstandigheden, waarbij op de niet-vochtpermeabele onderlaag als isolatielaag een isolerende polymeer wordt aangebracht, kunnen in de praktijk twee substraten gelijktijdig rug-aan-rug worden verwerkt waardoor een aantal van 5000 sensoren in één verwerkingsfase kan worden geproduceerd.

In figuur 1 is schetsmatig de opbouw van een sensor volgens de uitvinding aangegeven.

Met 1 is het uit een dun PCB koperlaminaat bestaande substraat aangegeven waarin twee koperlagen 2 en 3 zijn geëtst. De aan de linkerzijde aangegeven laag 2 is de als eerste condensatorplaat fungerende, niet-vochtpermeabele laag en de laag 3 is de contactplaat die in een latere fase van de vervaardiging de als tweede condensatorplaat fungerende vochtpermeabele bovenlaag 4 contacteert. Wanneer in een eindfase het substraat wordt opgesneden en de afzonderlijke sensoren worden afgescheiden, worden de aansluitdraden 5 aan de lagen 2 en 3 bevestigd.

Met 6 is een als isolatielaag fungerende polymeer coating aangegeven die hoewel buitengewoon dun het oppervlak van de actieve condensatorplaat 2 van koper beschermt tegen aantasting en vervuiling. Daar de laag 6 zelf niet-vochtpermeabel is wordt hiermede een kortsluiting tussen de genoemde condensatorplaten voorkomen onafhankelijk van de structuur van het diëlektrische materiaal en wordt verhinderd dat er gelijkstroom gaat vloeien waardoor anders als gevolg van elektrolyse polarisatiedrift zou ontstaan. De laag zal verhinderen dat als gevolg van het ontstaan van zgn. "pinholing" in het actieve diëlektricum 7 doorslag optreedt. De polymeer 6 strekt zich niet uit over de dunnere kopercontactlaag 3. Bij voorkeur wordt hier een inerte, niet-reactieve, pinhole-vrije barrier polymeer toegepast.

De diëlektrische laag 7 bestaat uit een actieve polymeer die kan worden gesponnen, met behulp van zeefdruk, of op andere wijze kan worden neergeslagen zodat een uiterst dunne laag ontstaat waarin toch een toereikend aantal porieën aanwezig is vereist voor de werking van de vochtsensor. Op deze wijze wordt een diëlektricum "spons" verkregen die onder invloed van vocht een snelle verandering van de capaciteits-waarde waarborgt. Hiermede wordt een groot "inamdemings" en "uitade-mings" oppervlak gerealiseerd. In de figuur is aangegeven dat de laag 7 zich niet zover uitstrekt dat hij over de contactlaag 3 ligt. Maar andere wijzen van vervaardiging zijn denkbaar.

Met 4 is de vochtpermeabele bovenlaag als tweede condensator-plaat aangegeven die zich over het geheel uitstrekt. Deze bovenlaag heeft voor het zich over de diëlektrische laag 7 uitstrekkende deel de vorm van een met geleidende inkt op de diëlektrische laag gedrukt rooster.

Het in figuur 2 aangegeven bovenaanzicht toont de plaat 7 voor het grootste deel als een rechthoekig roosterpatroon ofschoon ook andere patronen mogelijk zijn. De roosteropeningen zorgen voor de vochtdoorlating. De geometrie van het rooster 10 is van belang. Een maximaal (geleidend) inktoppervlak zal een maximale capaciteitswaarde geven maar dan zal, tenzij het oppervlak voor vochtdoorlating toereikend groot is, de tijd nodig voor absorptie en desorptie groot zijn. Een goed resultaat wordt geleverd bij een betrekkelijk groot oppervlak van de sensor, zoals bijvoorbeeld 10 mm^, waarbij de responsietijd enigermate negatief wordt beïnvloed.

Met 11 is het deel van de bovenplaat aangegeven dat in vaste drukvorm is, d.w.z. geen openingen heeft, en dat bestemd is om contact te maken met de contactlaag 3 op het substraat 1.

Met 12 is een rij van kleine, geïsoleerd opgestelde, geleidende drukvlakjes aangegeven. Bij de opbouw van de condensator wordt beoogd dat deze rij van vlakjes 12 zich alleen boven de barrier polymeer en niet boven de actieve polymeer bevindt. De hierbij gevormde ca- paciteiten hebben een minimale of nul-waarde.

Bij de vervaardiging is het ontwerp zodanig dat de sensor wat onder zijn normale tolerantie capaciteitswaarden ligt onder zowel droge als vochtige (delta = 0% tot 100% RH bereik) omstandigheden. Bij automatische calibratie worden bij droge referentie-omgeving verscheidene van de kleine vlakjes 12 verbonden met het hoofdrooster door middel van kleine dotjes van geleidende inkt om de vereiste vaste (droge) capaci-teitswaarde te verkrijgen.

Met 13 is een andere rij van kleine, geïsoleerd opgestelde, geleidende drukvlakjes aangegeven. Deze bevinden zich echter bij de opbouw van de condensator boven de actieve polymeer. Deze vlakjes kunnen eveneens worden verbonden met het hoofdrooster teneinde in een vochtige referentie-omgeving de vereiste delta-capaciteitswaarde in te stellen.

Bij het bovenstaande is aangenomen dat het gemakkelijker is een capaciteitswaarde toe te voegen dan af te trekken. Een dergelijke aftrekking kan echter eveneens door lasertrimming worden gerealiseerd.

De geleidende inktbanen kunnen na het trimmen worden gehard. De voordelen van deze "druk"werkwijzen zijn dat de exacte printgeome-trie kan worden gedefinieerd en er geen afhankelijkheid is van toevallige verschijnselen. Zowel voor de vaste als delta-waarden kan worden getrimd. Wanneer bij het drukken procesfouten worden gemaakt kunnen deze worden "afgeveegd" waardoor het meer kostbare deel van het met de barrier polymeer beklede substraat intact wordt gelaten.

De trimvlakjes zijn als vierkantjes aangegeven. Het zal duidelijk zijn dat ze ook in een kleiner aantal en bijvoorbeeld in een binaire oppervlakprogessie kunnen zijn aangebracht.

Bij de vervaardiging kunnen ook overeenkomstig de vereiste toepassing sensoren worden vervaardigd met een verbeterde responsie-snelheid door één afmeting groter te maken waardoor een langere sensor wordt verkregen. Daar het contactoppervlak een aanzienlijk deel van het totale oppervlak inneemt, zal een meer smaller ontwerp het mogelijk maken dat het contactoppervlak kleiner wordt ten gunste van een groter actief oppervlak.

Daar de barrier polymeer kostbaar is, wordt bij voorkeur het koperlaminaat slechts aan één zijde bekleed. Dit kan het best worden gerealiseerd door de substraatplaten, twee tegelijk, rug-aan-rug te verwerken. Het is hiervoor nodig de contactlaag te maskeren of ook de verkregen barrier polymeer af te schaven. Daar de laminaten aan beide zijden bewerkt kunnen worden verkregen, is het mogelijk om beide con- tactlagen aan de andere zijde aan te brengen, onbekleed door de barrier polymeer en daardoor goed soldeerbaar, en om hen door te verbinden door middel van doorgaand-gatplatering of door middel van speciaal ontworpen "mesrand" contactklemmen.

Alle niet-actieve oppervlakken, die niet door de barrier polymeer zijn bedekt, kunnen op de gebruikelijke manier van bescherming van PCB laminaten worden afgedekt met soldeer-resistlak.

Boven aangegeven goedkope en op reproduceerbare wijze te vervaardigen vochtsensor kan voor velerlei toepassingen worden gebruikt, zoals voor luchtbehandelingssystemen, in de auto-industrie voor ruit-ontwasemingssystemen, rem(schoen)systemen en voor verbrandingsmotoren waarin het verbrandingsproces sterk van de relatieve vochtigheid afhankelijk is.

Claims (10)

1. Capacitieve vochtsensor omvattende een substraat, daarop een niet-vochtpermeabele geleidende onderlaag als eerste condensator-plaat, een diëlektrische laag, en een vochtpermeabele geleidende bovenlaag als tweede condensatorplaat, en bij de eerste en tweede condensa-torplaten behorende aansluitdraden, waarbij de verandering in diëlek-triciteitsconstante en derhalve in capaciteitswaarde veroorzaakt door absorptie van watermoleculen in het diëlektrische materiaal wordt gemeten, met het kenmerk, dat het substraat een buigzame koperlaminaat is, waarin tenminste de genoemde geleidende onderlaag is geëtst, en dat de genoemde geleidende bovenlaag een vaste printlaag omvat met een geleidend roosterpatroon.

2. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het roosterpatroon van de genoemde bovenlaag met geleidende inkt is gedrukt.

3. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 1, waarin de genoemde onderlaag en een de vochtpermeabele bovenlaag contacterende con-tactlaag in langsrichting evenwijdig aan elkaar op het substraat zijn aangebracht, waarbij tenminste tussen de genoemde onderlaag en diëlektrische laag een niet-vochtpermeabele isolatielaag aanwezig is, en de genoemde bovenlaag zich zowel over de diëlektrische laag als over de contactlaag uitstrekt, met het kenmerk, dat de isolatielaag een inerte, porieën-vrije, isolerende polymeer is, dat de diëlektrische laag een diëlektrische polymeer is die zodanig is aangebracht dat een uiterst dunne laag met toereikende poreusheid is ontstaan, en dat de genoemde bovenlaag een roostergeometrie heeft zodanig dat het geleidende inktoppervlak en het vochtpermeabele oppervlak zijn afgestemd om een toereikende capaciteitswaarde en een korte absorptie en desorptietijd te verkrijgen.

4. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de contactlaag is geëtst in het koperlaminaat.

5. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het koperlaminaat is samengesteld met polysiloxaan-glas textielmateriaal .

6. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 3, met het ken merk, dat de isolerende polymeer een barrier polymeer is.

7. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de bovenlaag aan tenminste één der zijden van het roosterpatroon een rij van inktvlakjes heeft.

8. Capacitieve vochtaensor volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in de gerede sensor de rij van inktvlakjes (12) zodanig is gelegen dat de diëlektrische polymeer zich niet maar de isolerende polymeer zich wel onder de rij bevind opdat bij voorcalibratie van de ca-paciteitswaarde in droge atmosfeer, wanneer nodig, inktvlakjes met het roosterpatroon kunnen worden verbonden.

9. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in de gerede sensor de rij van inktvlakjes (13) zodanig is gelegen dat de diëlektrische polymeer zich wel en de isolerende polymeer zich niet onder de rij bevindt opdat bij voorcalibratie van de ca-paciteitswaarde in vochtige atmosfeer, wanneer nodig, inktvlakjes met het roosterpatroon kunnen worden verbonden.

10. Capacitieve vochtsensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het roosterpatroon bij voorcalibratie van de capaciteitswaar-de door middel van laserbestraling wordt getrimd.