NO303092B1 - Kapasitiv fuktighetssensor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en kapasitiv fuktighetssensor innbefattende et substrat som er et bøyelig kobberlaminat, et fuktighets-ugjennomtrengelig, ledende bunnlag etset i kobberlaminatet som første kapasitorplate, et dielektrisk lag, hvor den dielektriske konstanten er en funksjon av fuktighetsabsorpsjonen, . og et fuktighets-gjennomtrengelig, ledende topplag som andre kapasitorplate, idet bunnlaget og et kontaktlag som står i kontakt med det fuktighets-gjennomtrengelige topplaget, er avsatt nær hverandre og isolert fra hverandre på substratet, og topplaget strekker seg over både det dielektriske laget og kontaktlaget. En slik fuktighetssensor er f.eks. beskrevet i EP-A3-0094266.

I en slik sensor, som i virkeligheten består av en elektrisk kapasitor, bestemmes fuktigheten ved å måle endringen i dielektrisk konstant for det dielektriske mediet, og derfor endringen i kapasitansverdi på grunn av absorpsjonen av vannmolekyler ved det dielektriske materialet. Dersom f.eks. materialet av et tørt dielektrisk lag har en dielektrisk konstant på 3,5 og vann har en på ca. 80, vil det være åpenbart at endringen i kapasitansverdi på grunn av fuktighetsabsorpsjon kan være betydelig. For at fuktigheten eller vannet skal kunne absorberes av det dielektriske laget må topplaget være fuktighets-gjennomtrengelig.

Denne kjente sensoren har et substrat hvorpå et kobberlag er avsatt som første kapasitorplate. Et fuktighets-ugjennomtrengelig isolerende lag er tilveiebragt på toppen av den første kapasitorplaten. Det isolerende laget tjener som barrierelag og forhindrer resistenstap over det dielektriske mediet ved høy relativ fuktighet, eller sågar kortslutning mellom platene uansett strukturen av det dielektriske mediet. Det nevnte dielektriske laget er tilstrekkelig porøst til å absorbere fuktighet.

I praksis har det vist seg at anvendelsen av en slik sensor er sterkt avhengig av veldefinerte prekalibreringsteknikker under tørre og fuktige atmosfæriske betingelser før den anvendes på forbrukermarkedet og for industriell anvendelse.

Fra fransk patentpublikasjon FR-2327536 er det kjent en kapasitiv fuktighetssensor bestående av en enkelt struktur av en kobberplate som en første kapasitorplate, dielektrisk papir som dielektrisk medium og en øvre kapasitorplate som består av et kobbertrådnett. Det nevnte trådnettet er festet ved hjelp av plastskruer til den første kapasitorplaten. Denne fuktighetssensoren er ment å detektere nærværet av olje i gass.

Fra tysk patentpublikasjon DE-3203990 er det kjent en fremgangsmåte for å justere kapasiteten av en kapasitiv fuktighetssensor. Denne justeringen utføres ved å anvende en laserstråle for å fjerne eller trimme den ledende øvre kapasitorplaten bestående av en gull-film. Dette utføres ved høy temperatur for å oppnå at den gjenværende fuktigheten, fremdeles tilstede i det dielektriske mediet, er neglisjer-bart liten.

Formålet med oppfinnelsen er å eliminere det ovenfor nevnte problemet og å tilveiebringe en billig sensor som er meget robust og som lett kan kalibreres etter fremstilling.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette i en kapasitiv fuktighetssensor av typen nevnt i innledningen ved at topplaget innbefatter et fast, trykket gittermønster av ledende blekk, og en rad av små ledende blekkarealer ved i det minste en side av gittermønsteret.

I en fordelaktig utførelsesform av sensoren ifølge oppfinnelsen er det i det minste mellom bunnlaget og det dielektriske laget tilveiebragt et fuktighets-ugjennomtrengelig isolerende lag eller barrierelag, hvorved i et tilfelle raden av små blekkarealer er tilveiebragt over det isolerende laget og i et annet tilfelle er to rader av små blekkarealer tilveiebragt på hver sin side, hvorav én er over det isolerende laget og den andre er over det dielektriske laget.

I denne utførelsesformen ifølge oppfinnelsen oppnås en eksepsjonelt billig sensor for forbrukermarkedet, som også er egnet for industrielle anvendelser. Denne sensoren ifølge oppfinnelsen kan kalibreres enkelt, både under tørre og fuktige atmosfæriske betingelser. For kalibrering i tilfellet av et tørt ref eransemil jø er flere av de små arealene av raden over barrierelaget forbundet til hovedgitteret ved hjelp av små punkter av ledende blekk for å oppnå den påkrevde fikserte (tørre) kapasitanseverdien. For ytterligere kalibrering i tilfellet et fuktig referansemiljø er små arealer av raden over det dielektriske eller aktive laget forbundet med hovedgitteret for å regulere den påkrevde delta-kapasitanseverdien. For denne kalibreringen er det antatt at det er enklere å addere enn å subtrahere en kapasitanseverdi. En slik subtraksjon kan imidlertid også oppnås ved hjelp av lasertrimming. Etter trimming kan de ledende blekkflekkene bli herdet. Fordelene med denne "trykke"-fremgangsmåten er at den eksakte trykkegeometrien kan defineres og det er ingen avhengighet av tilfeldige fenomener. Trimming kan utføres både for de fikserte og delta-verdiene. Dersom prosessfeil gjøres under trykking, kan disse "viskes ut", den dyrere delen av substratkledningen med barrierelaget etterlates intakt.

Oppfinnelsen skal forklares i større detalj på basis av en eksempelvis utførelse under henvisning til tegningen, hvori: Figur 1 viser en perspektivskisse av den lagdelte strukturen av den eksempelvise utførelsen av en sensor ifølge oppfinnelsen; og

figur 2 viser en planskisse av topplaget, som virker som andre kapasitorplate, av utførelsen i figur 1.

Som angitt ovenfor er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe en billig sensor for forbrukeranvendelser.

Ifølge oppfinnelsen erstattes nå glass-substratmaterialet, som i og for seg er et utmerket materiale, i praksis med kobberlaminat som ofte anvendes f.eks. i trykkede kretskort (PCB). I en ytterligere utførelse kan kobberlaminatet være konstruert med polysiloksanglass-tekstil eller —stoff. Det fuktighets-ugjennomtrengelige bunnlaget kan være etset på kobberoverflaten av et slikt laminat som første kapasitorplate, om nødvendig med en andre tynnere kontaktplate ved siden av denne som virker som kontaktplate for det fuktighet s-gjennomtrenglige topplaget. Forbindende ledninger kan festes til bunnlaget og kontaktlaget i en senere fase av fremstillingen.

Anvendelsen av et slikt tynt, bøyelig PCB-laminat har den fordelen at man kan gjøre bruk av PCB-fremstillingsteknikker, det ferdige resultatet gir også en mer robust sensor enn den som er fremstilt fra tynnfilmglass-substrater. Det er da mulig å starte med større substrater, som f.eks. resulterer i en mengde på 50 x 50 = 2500 sensorer. Under visse betingelser, hvori en isolerende polymer avsettes som isolerende lag på det fuktighets-ugjennomtrengelige bunnlaget, er det i praksis mulig å bearbeide to substrater samtidig bakside mot bakside, som et resultat av dette kan en mengde på 5000 sensorer fremstilles i én bearbeidelsesfase.

Figur 1 viser skjematisk strukturen av en sensor ifølge oppf innelsen.

1 angir substratet bestående av et tynt PCB kobberlaminat hvori to kobberlag 2 og 3 er etset. Laget 2, angitt på venstre side, er det fuktighets-ugjennomtrengelige laget som virker som første kapasitorplate og laget 3 er kontaktplaten som utgjør kontakten med det fuktighets-gjennomtrengelige topplaget 4, som virker som andre kapasitorplate, i en senere fase av fremstillingen. Når substratet kuttes opp i en endelig fase og de individuelle sensorene separeres, er forbindende ledninger 5 forbundet til lagene 2 og 3. 6 angir et polymerbelegg som fungerer som isolasjonslag og som, selv om det er ekstremt tynt, beskytter overflaten av den aktive kobberkapasitorplaten 2 mot angrep og for-urensning. Siden laget 6 selv er fuktighets-ugjennomtrenglig blir en eventuell kortslutning mellom de angitte kapasitor-platene konsekvent forhindret, uavhengig av strukturen av det dielektriske materialet, og likestrøm som ellers ville gi polarisasjonsdrift som følge av elektrolyse, forhindres fra å flyte. Laget vil forhindre sammenbrudd som en følge av opptreden av såkalt "pinholing" i det aktive dielektrikumet 7. Polymeren 6 strekker seg ikke over det tynnere kobber-kontaktlaget 3. I det sistnevnte tilfellet benyttes for-trinnsvis en inert, ikke-reaktiv barrierepolymer som er fri for pinhole.

Det dielektriske laget 7 består av en aktiv polymer som kan være spunnet, kan være avsatt ved hjelp av skjermtrykking eller på annen måte, slik at det dannes et meget tynt lag som ikke desto mindre inneholder en tilstrekkelig mengde porer nødvendig for operasjon av fuktighetssensoren. På denne måten oppnås en dielektrisk "svamp" som sikrer en rask endring i kapasitansverdi under innvirkning av fuktighet. Det oppnås følgelig en stor "inhalerings"- og "ekshalerings-"overflate. Figuren antyder at laget 7 ikke strekker seg langt nok til å ligge over kontaktlaget 3, men andre fremstillingsmåter kan tenkes. 4 angir det fuktighets-gjennomtrengelige topplaget som andre kapasitorplate som strekker seg over det hele. Delen av topplaget som strekker seg over det dielektriske laget 7 har form av et gitter trykket på det dielektriske laget med ledende blekk.

Planskissen vist i figur 2 viser platen 7 hovedsakelig som et rektangulært gittermønster, selv om andre mønstere også er mulig. Gitteråpningene sikrer fuktighetsoverføring. Geome-trien av gitteret 10 er viktig. Et maksimalt (ledende) blekk-overflateareal vil gi en maksimal kapasitansverdi, men da vil tiden nødvendig for absorpsjon og desorpsjon være stor, med mindre det fuktighetsoverførende overflatearealet er tilstrekkelig stort. Et godt resultat oppnås med et relativt stort sensoroverf lateareal, som f. eks. 10 mm2 , i hvilket tilfelle responstiden til en viss grad påvirkes i negativ retning. 11 angir delen av topp-platen som er i fasttrykket form, det vil si som ikke har noen åpninger, og som er ment å gi kontakt med kontaktlaget 3 på substratet 1. 12 indikerer en rad av små ledende trykkede områder i et isolerende arrangement. Ved konstruksjon av kapasitoren er det ment at raden av små områder 12 er anbrakt bare over barrierepolymeren og ikke over den aktive polymeren. Kapasitansene som derved dannes har en minimum eller 0-verdi.

Ved fremstillingen er utformingen slik at sensoren ligger noe under dens maksimale toleranse av kapasitetsverdier, både under tørre og fuktige betingelser (delta = 0 % til 100 % relativt fuktighetsområde). For automatisk kalibrering er flere av de små områdene 12 forbundet i tilfelle av et tørt referansemiljø til hovedgitteret ved hjelp av små puter av ledende blekk for å oppnå den påkrevde fastsatte (tørre) kapasitansverdien.

13 indikerer en annen rad av små ledende trykkeområder i et isolerende arrangement. Ved konstruksjonen av kapsitoren er imidlertid disse anbrakt over den aktive polymeren. Disse små områdene kan også være forbundet til hovedgitteret for å regulere den påkrevede delta kapasitansverdien i et fuktig eller vått referansemiljø.

Det er ovenfor antatt at det er lettere å addere enn å subtrahere en kapasitansverdi. En slik subtraksjon kan imidlertid også oppnås ved lasertrimming.

Etter trimming kan de ledende blekksporene heredes. Fordelen

med denne "trykke"-fremgangsmåten er at den nøyaktige trykkegeometrien kan defineres og det foreligger ingen avhengighet av tilfeldige fenomen. Trimming kan utføres både for de fikserte verdien og delta-verdiene. Dersom prosessfeil gjøres under trykking kan disse "viskes ut", den dyrere delen

av substratkledningen med barrierepolymeren etterlates intakt.

De små trimmearealene er angitt som små firkanter. Det vil være åpenbart at de også kan være tilveiebrakt i mindre

antall og f.eks. i en binær overflatearealsprogresjon.

i

Under fremstilling kan det fremstilles sensorer i henhold til den påkrevde anvendelsen som har en forbedret respons-hastighet ved at en dimensjon gjøres større, som et resultat

av dette oppnås en lengere sensor. Siden kompaktoverflaten<;>opptar en betydelig del av det samlede arealet, vil en slankere utførelse gjøre det mulig for kontaktoverflate-arealet å avta til fordel for større aktivt overflateareal.

Siden barrierepolymeren er dyr, er kobberlaminatet fortrinn-> vis kledd bare på én side. Dette kan best oppnås ved å

bearbeide substratplatene to på én gang, bakside mot bakside. For å gjøre dette er det nødvendig å markere kontaktlaget eller sågar å slipe av det oppnådde barrierelaget. Siden

laminatene kan oppnås bearbeidet på begge sider er det mulig

> å tilveiebringe begge kontaktlagene på den andre siden,

udekket av barrierelaget og følgelig lett loddbart og å

forbinde dem ved hjelp av gjennomhullede plater eller ved hjelp av spesielt utformede "knivkant"-kontaktterminaler.

Alle de inaktive overflatene som ikke er dekket av barrierepolymeren kan dekkes med loddresist på normal måte for beskyttelse av PCB-laminater.

Den billige fuktighetssensoren angitt ovenfor, som kan fremstilles på en reproduserbar måte, kan anvendes for mange typer anvendelser, som for luftbehandlingssystemer, innen bilindustrien for defrostersystemer for vinduer, bremse(sko)-systemer og for motorer med indre forbrenning hvori for-brenningsprosessen er sterkt avhengig av den relative fuktigheten.

Claims (3)

1. Kapasitiv fuktighetssensor innbefattende et substrat (1) som er et bøyelig kobberlaminat, et fuktighets-ugjennomtrengelig ledende bunnlag (2) etset i kobberlaminatet som første kapasitorplate, et dielektrisk lag (7) hvor den dielektriske konstanten er en funksjon av fuktighetsabsorpsjon, og et fuktighets-gjennomtrengelig ledende topplag (4) som andre kapasitorplate, idet bunnlaget (2) og et kontaktlag (3) som står i kontakt med det fuktighets-gjennomtrengelige topplaget (4), er avsatt nær hverandre og isolert fra hverandre på substratet (1) og topplaget (4) strekker seg over både det dielektriske laget (7) og kontaktlaget (3),karakterisert vedat topplaget (4) innbefatter et fast, trykket gittermønster (10) av ledende blekk og en rad av små ledende blekkarealer (12,13) ved i det minste en side av gittermønsteret (10).

2. Kapasitiv fuktighetssensor ifølge krav 1,karakterisert vedat det i det minste mellom bunnlaget (2) og det dielektriske laget (7) er tilveiebrakt et fuktighets-ugjennomtrengelig isolerende lag (6), og at raden av små blekkarealer (12) av topplaget (4) er anbrakt over det isolerende laget (6) og ikke over det dielektriske laget (7), slik at for prekalibrering av kapasitansverdien til sensoren i en tørr atmosfære kan små blekkarealer forbindes med gittermønsteret (10).

3. Kapasitiv fuktighetssensor ifølge krav 1,karakterisert vedat det i det minste mellom bunnlaget (2) og det dielektriske laget (7) er tilveiebrakt et fuktighets-ugj ennomtrenglig isolerende lag (6), og at raden av små blekkarealer (13) av topplaget (4) er anbrakt over det dielektriske laget (7) og ikke over det isolerende laget (6), slik at for prekalibrering av kapasitansverdien til sensoren i en fuktig atmosfære kan små blekkarealer forbindes med gittermønsteret (10).