WO2000029839A1 - Humidity sensor and method for the production thereof - Google Patents

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WO2000029839A1
WO2000029839A1 PCT/DE1999/003608 DE9903608W WO0029839A1 WO 2000029839 A1 WO2000029839 A1 WO 2000029839A1 DE 9903608 W DE9903608 W DE 9903608W WO 0029839 A1 WO0029839 A1 WO 0029839A1
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moisture detector
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moisture
layer
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Patrick Keller
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Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G01N27/225Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity by using hygroscopic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00Phosphorus; Compounds thereof
    • C01B25/12Oxides of phosphorus

Definitions

  • the invention relates to a moisture detector, which is particularly suitable for the detection of low moisture in an environment requiring special monitoring, and a method for its production.
  • the moisture detector presented can be integrated directly into electronic circuits, so that the moisture is detected directly at the point of action.
  • Color hygrometers consist of a number of different cellulose platelets with scale values, which are impregnated with salts from, for example, cobalt (111) compounds, copper sulfate or nickel chloride. At temperatures of 15-25 ° C, an exact 0-25% RH can be achieved. However, this only allows use for a rough display of the moisture.
  • Psychrometers work with two identical temperature sensors that are located in an air flow. One of the two sensors is over one
  • Cotton stocking kept constantly moist. Due to the evaporative cooling, the moist temperature sensor cools down. This evaporative cold is proportional to the amount of water evaporated from the cotton stocking. Since the air flowing past is saturated by the amount of water evaporated from the cotton stocking, the measured temperature difference between the two sensors can be regarded as a measure of the humidity of the incoming air.
  • the disadvantages of the method lie in the very long response time and the relatively high measuring errors caused by icing of the moist temperature sensor.
  • the absolute dew point temperature of the air in question can be determined using the determined dew point temperature.
  • dew point hygrometer a small area in the dew point measuring device is cooled by means of a cooling medium or a Peltier element until the moist air to be measured on the cooled area reaches the saturation moisture and the water vapor begins to condense, ie the surface is condensed.
  • a photoelectric cell for example, is directed onto this surface and changes its output signal when it is thawed.
  • the temperature of the measuring surface is defined as the dew point temperature.
  • Dew point meters are very stable, accurate and fast.
  • the psychrometer and the dew point sensor are on the one hand very accurate, but on the other hand they are very expensive and bulky, which means that the use of the two measuring devices is very limited. They are mainly used only for precision measurements and permanently installed in climatic chambers. Because of the disadvantages mentioned above, they are difficult to use for measuring small and dry volumes. The compact humidity sensors shown below contrast this complex process.
  • a representative of compact moisture sensors based on organic polymers is the "Humicape” sensor, which consists of cellulose acetate dissolved in ethylene dichloride or cross-linked copolymers of styrene sulfone, vinyl polymer, N, N-methylene-bis-acrylamide and polyvinyl chloride.
  • the short lifespan of organic moisture sensors is very disadvantageous.
  • Porous ceramic materials are particularly well suited for the production of moisture sensors, as they have very good properties with regard to their mechanical adhesive strength, reproducibility, durability, easy handling and resistance to environmental influences.
  • the structure of these moisture sensors generally consists of a sensitive layer vapor-coated with metal on both sides, which consists of sintered, ceramic, porous, moisture-sensitive materials.
  • the sensitive layer serves as the dielectric of a plate capacitor, the two metal films representing the electrodes.
  • the relative humidity changes the dielectric constant of the sensitive layer and thus also the capacitance of the plate capacitor or the conductivity of the sensitive layer.
  • Hysteresis and aging phenomena have a disadvantageous effect on ceramic moisture sensors, particularly at high moisture concentrations.
  • Electrolytic moisture sensors are known as a further possibility for moisture measurement. This type is essentially a moisture meter that works on the basis of lithium chloride sensors. Two properties of LiCl are used here. On the one hand, lithium chloride is hygroscopic, i.e. it adsorbs water molecules, and on the other hand the resulting salt solution is an electrolyte that conducts the electric current.
  • a major disadvantage of electrolyte moisture sensors based on LiCl is their relatively slow response time. But they should also be used in very humid environments not be used as this leads to negative influences in the precision and the service life of the sensor. The aging effects of the sensor due to the crystal formation of the LiCl are particularly disadvantageous here.
  • the invention has for its object to provide a moisture detector and a method for its production, which has a fast response time, high sensitivity and good long-term stability.
  • the moisture detector according to the invention consists of a carrier on which at least two electrodes, preferably in an interdigital structure, are arranged.
  • an insulating intermediate layer can additionally be provided between the carrier and electrodes.
  • a layer of a certain hygroscopic material extends between the electrodes. This hygroscopic
  • Material is characterized in that when moisture is absorbed and an electrical voltage is applied to the electrodes, electrolysis of water takes place in the layer.
  • the resulting electrolysis current is used to detect the moisture.
  • a threshold value of the current is preferably specified, the moisture in the environment being exceeded when it is exceeded of the detector has reached a certain value. If the threshold value is exceeded, it is detected and, if necessary, output in a signal for triggering a subsequent action, for example triggering an alarm or actuating an actuator.
  • the hygroscopic material used according to the invention causes electrolysis of the water in the sensor surface, ie in the hygroscopic layer located between the electrodes.
  • the LiCl is converted into a salt solution by the moisture, so that electrolysis of Li + and Cl ⁇ ions takes place.
  • a hygroscopic material is preferably used, which enters into a chemical reaction with water, which can be reversed by applying an electrical voltage to the electrodes.
  • Examples of such materials are substances that form an acid or base with water. Due to the back reaction when the electrical voltage is applied to the electrodes, the water in the sensor surface is thus available for electrolysis.
  • P 2 O 5 is used as the hygroscopic material.
  • the sensitive material consisting of P 2 Ü5 is preferably applied as a closed layer to the electrode structure by spray coating, electrolysis and heating, as described below.
  • the carrier consists of a substrate made of semiconductor-compatible material, for example Al 2 O 3 , Si, SiO 2 or Si 3 N 4 .
  • the detector can advantageously be integrated directly into the electronic circuits or onto a common substrate with the circuits whose ambient humidity is to be monitored.
  • the electrodes can, for example, be applied to the substrate using planar technology.
  • the layer can either only between the Extend electrodes or cover them completely.
  • a substrate is first provided to which the electrodes are applied, for example using thin-film or thick-film technology. Furthermore, a hygroscopic material is used, which enters into a chemical reaction with water, which can be reversed by applying an electrical voltage. The hygroscopic material is applied to the substrate in aqueous form so that it extends at least between the electrodes. The application can take place, for example, by means of the spray coating technique. Finally, the hygroscopic material is dried at an elevated temperature by applying an electrical voltage sufficient for the electrolysis of water to the electrodes. The drying takes place due to the elevated temperature and the electrolysis of the water.
  • the electrodes are covered, for example by means of spray coating, with aqueous P 2 0 5 , so that a closed layer of moisture-sensitive material is formed.
  • this layer of aqueous P 2 Os is dried by electrolysis of water at a permanently elevated temperature, so that a moisture-sensitive layer of dried sensor material is formed.
  • the applied layer is characterized by extremely hygroscopic and electrolytic properties whose electrical conductivity changes depending on the water vapor concentration. During the measurement, the absorbed water molecules are electrolyzed in hydrogen and oxygen, the equilibrium electrolysis current being an indirect measure of the moisture.
  • the hygroscopic layer for the moisture detector can also be applied to the substrate or the electrodes by other methods, for example by dropping in a suitable, volatile solvent which then volatilizes by itself.
  • the invention is based on a
  • the figure shows an example of the possible structure of a moisture detector according to the invention.
  • the detector consists of a substrate (1), on the front of which two electrodes (2, 3) spaced apart from one another are applied in an interdigital structure (not shown), so that the individual "fingers" of the electrodes interlock.
  • the interdigital structure is covered by a closed layer (4) made of the hygroscopic material.
  • Such a detector can be implemented with dimensions of, for example, 2mm x 3mm for the substrate (1).
  • the hygroscopic layer (4) consists of P0, a highly hygroscopic copy material. Interdigital electrodes (2, 3) made of platinum are applied to the substrate (1).
  • the interdigital electrodes are produced by depositing platinum and subsequent structuring using conventional photolithography techniques, as described, for example, in D. Widmann et al. , "Technology of highly integrated circuits", 2nd ed., Springer-Verlag, Berlin 1996, applied to the substrate.
  • the interdigital structure can be configured as desired using thick or thin film technology.
  • a solution of aqueous P 2 0 5 is first applied to the substrate by means of spray coating.
  • the water is decomposed by electrolysis of water with permanent heating and the layer is thus dried.
  • the electrolysis of the water is effected by applying a voltage of a few volts to the interdigital electrodes.
  • the simultaneous heating to a temperature above 100 ° C can be carried out by different heating techniques, for example in an oven, by radiation, by additional heating elements in the substrate or the like.
  • the electrolysis current With increasing drying out of the P 2 Os solution, the electrolysis current returns to an equilibrium state which varies with changing ambient air humidity. This effect is used for the detection of moisture or moisture dips in an environment requiring special monitoring.
  • the actual measuring or detection process therefore consists in detecting a change in the electrolysis current when a voltage is applied to the electrodes.
  • the detector shown as an example has short response times due to the strong hydrophilicity of the sensor material. This enables precise moisture measurements, even of very low humidity, through exact current measurements. The aging of the "sensitive" material can be neglected.
  • the moisture detector there is a heating device on the back of the substrate for heating the hygroscopic
  • the heating device By means of this heating device, the hygroscopic layer after "moisture accidents", i.e. in the event of sudden very high water absorption, regenerate faster. Furthermore, the heating device can advantageously be used for heating when the layer is applied, as explained above.
  • the heating device here consists, for example, of a meandering structure of a conductive material with high resistance, which can be applied in planar technology on the rear surface of the substrate.
  • the heating device can also be provided elsewhere, for example in an intermediate layer between the substrate and the electrode structure that is insulated from the electrode structure.

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Abstract

The invention relates to a humidity detector and to a method for the production thereof. The inventive humidity detector consists of a support (1) on which at least two electrodes (2, 3) are arranged. A layer (4) made of a specific hygroscopic material extends between the electrodes. The hygroscopic material is characterized in that electrolysis of water occurs in said layer (4) when humidity is absorbed and an electrical voltage is applied to the electrodes (2, 3). The electrolytic current is used to detect humidity. The humidity sensor can be directly integrated into electronic circuits. It has good long-time stability and requires only a short time to react.

Description

Feuchtedetektor und Verfahren zur Herstellung Moisture detector and manufacturing method
Die Erfindung betrifft einen Feuchtedetektor, der insbesondere zur Detektion geringer Feuchte in besonders überwachungsbedüftiger Umgebung geeignet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a moisture detector, which is particularly suitable for the detection of low moisture in an environment requiring special monitoring, and a method for its production.
Der vorgestellte Feuchtedetektor kann direkt in elektronische Schaltungen integriert werden, so daß die Feuchte direkt am Wirkungsort detektiert wird.The moisture detector presented can be integrated directly into electronic circuits, so that the moisture is detected directly at the point of action.
Beim Einsatz von Feuchtedetektoren bzw. -sensoren wird das Ziel verfolgt, den Wassergehalt in der Umgebungsatmosphäre kontinuierlich, zuverlässig, genau und reproduzierbar zu überwachen. Durch den Einsatz weiterer technischer Hilfssysteme (Aktoren) sollte es darüber hinaus möglich sein, die Zusammensetzung der zu überwachenden Atmosphäre zu beeinflussen bzw. feuchteempfindliche elektronische Bauteile zu schützen.When using moisture detectors or sensors, the aim is to continuously, reliably, accurately and reproducibly monitor the water content in the surrounding atmosphere. The use of further technical auxiliary systems (actuators) should also make it possible to influence the composition of the atmosphere to be monitored or to protect moisture-sensitive electronic components.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Feuchtemeßsystemen bekannt, die im folgenden kurz erläutert werden.A large number of different moisture measuring systems are known in the prior art and are briefly explained below.
Bei Feuchtemessungen mit Farbhygrometern wird die Farbveränderung von kristallwasserhaltigen Salzen beobachtet. Farbhygrometer bestehen aus einer Reihe unterschiedlicher mit Skalenwerten versehener Zellstoffplättchen, die mit Salzen aus z.B. Kobalt (111)- Verbindunge , Kupfersulfat oder Nickelchlorid getränkt sind. Bei Temperaturen von 15-25°C kann eine Genauig- keit 0-25% r.F. erreicht werden. Dies läßt allerdings lediglich einen Einsatz zur Grobanzeige der Feuchte zu.When measuring moisture with color hygrometers, the color change of salts containing water of crystallization is observed. Color hygrometers consist of a number of different cellulose platelets with scale values, which are impregnated with salts from, for example, cobalt (111) compounds, copper sulfate or nickel chloride. At temperatures of 15-25 ° C, an exact 0-25% RH can be achieved. However, this only allows use for a rough display of the moisture.
Mechanische Hygrometer nutzen die Eigenschaft bestimmter organischer Substanzen aus, sich unter Feuchte auszudehnen oder zu verkürzen (z.B. Haarhygrometer) . Diese Feuchtemeßgeräte sind einfach und preiswert herzustellen, besitzen jedoch oftmals eine sehr hohe Hysterese und lange Ansprechzeiten. Außerdem ist die Umsetzung der Meßwerte in elektrische Signale sehr schwierig und verursacht hohe Kosten.Mechanical hygrometers exploit the property of certain organic substances to expand or contract under moisture (e.g. hair hygrometer). These moisture meters are simple and inexpensive to manufacture, but often have a very high hysteresis and long response times. In addition, the conversion of the measured values into electrical signals is very difficult and causes high costs.
Psychrometer arbeiten mit zwei baugleichen Temperaturfühlern, die sich in einem Luftstrom befinden. Einer der beiden Fühler wird über einenPsychrometers work with two identical temperature sensors that are located in an air flow. One of the two sensors is over one
BaumwolIstrumpf ständig feucht gehalten. Bedingt durch die Verdunstungskälte kühlt der feuchte Temperaturfühler ab. Diese Verdunstungskälte ist proportional zur verdampften Wassermenge aus dem Baumwollstrumpf. Da die vorbei streichende Luft durch die verdampfte Wassermenge aus dem BaumwolIstrumpf gesättigt wird, kann die gemessene Temperaturdifferenz zwischen beiden Fühlern als Maß für Luftfeuchtigkeit der ankommenden Luft betrachtet werden. Die Nachteile des Verfahrens liegen in der sehr langen Ansprechzeit und den relativ hohen Meßfehlern, die durch Vereisen des feuchten Temperaturfühlers hervorgerufenen werden.Cotton stocking kept constantly moist. Due to the evaporative cooling, the moist temperature sensor cools down. This evaporative cold is proportional to the amount of water evaporated from the cotton stocking. Since the air flowing past is saturated by the amount of water evaporated from the cotton stocking, the measured temperature difference between the two sensors can be regarded as a measure of the humidity of the incoming air. The disadvantages of the method lie in the very long response time and the relatively high measuring errors caused by icing of the moist temperature sensor.
Wird feuchte Luft bis zu der Temperatur abgekühlt, bei der sich durch Ausscheiden von Wasser der Sättigungszustand einstellt, so kann durch die ermittelte Taupunkttemperatur die absolute Feuchte der betreffenden Luft festgestellt werden. Auf diesem Prinzip arbeiten Taupunkthygrometer. Technisch wird hierzu mittels eines Kühlmediums oder eines Peltier- Elements eine kleine Fläche im Taupunktmeßgerät so weit abgekühlt, bis die zu messende feuchte Luft an der gekühlten Fläche die Sättigungsfeuchte erreicht und der Wasserdampf zu kondensieren beginnt, d.h. die Fläche betaut. Auf diese Oberfläche ist z.B. eine photoelektrische Zelle gerichtet, die bei der Betauung ihr Ausgangssignal verändert. Die Temperatur der Meßfläche wird als Taupunkttemperatur definiert. Taupunktmeßgeräte sind sehr stabil, genau und schnell.If moist air is cooled down to the temperature at which the saturation state arises due to the elimination of water, the absolute dew point temperature of the air in question can be determined using the determined dew point temperature. On this Working principle is dew point hygrometer. Technically, for this purpose, a small area in the dew point measuring device is cooled by means of a cooling medium or a Peltier element until the moist air to be measured on the cooled area reaches the saturation moisture and the water vapor begins to condense, ie the surface is condensed. A photoelectric cell, for example, is directed onto this surface and changes its output signal when it is thawed. The temperature of the measuring surface is defined as the dew point temperature. Dew point meters are very stable, accurate and fast.
Das Psychrometer und der Taupunkt-Sensor sind einerseits zwar sehr genau, aber auf der anderen Seite sehr kostenintensiv und unhandlich groß, wodurch der Einsatz der beiden Meßgeräte sehr stark beschränkt ist. Sie werden vorwiegend nur zu Präzisionsmessungen verwendet und fest in Klimakammern installiert. Zur Messung kleiner und trockener Volumina sind sie wegen der oben erwähnten Nachteile schlecht zu verwenden. Diesem aufwendigen Verfahren stehen die nachfolgend dargestellten kompakten Feuchtesensoren gegenüber.The psychrometer and the dew point sensor are on the one hand very accurate, but on the other hand they are very expensive and bulky, which means that the use of the two measuring devices is very limited. They are mainly used only for precision measurements and permanently installed in climatic chambers. Because of the disadvantages mentioned above, they are difficult to use for measuring small and dry volumes. The compact humidity sensors shown below contrast this complex process.
Ein Vertreter für kompakte Feuchtesensoren auf der Basis organischer Polymere ist der "Humicape" -Sensor, der aus in Ethylendichlorid gelöstem Zelluloseacetat oder kreuzverknüpften Copolymeren aus Styrensulfona , Vinyl-Polymer, N,N-Methylen-bis-Acrylamid und Polyvinylchlorid besteht. Gegenüber keramischen Feuchtesensoren ist die kurze Lebensdauer organischer Feuchte- sensoren allerdings sehr nachteilig. Hinzu kommt bei diesen Materialien die Problematik einer reproduzierbaren Sensorherstellung mittels Spray-Coating, Dip- Coating oder ähnlichen Verfahren. Für die Herstellung von Feuchtesensoren sind poröse keramische Materialien besonders gut geeignet, da sie in Bezug auf ihre mechanische Haftfestigkeit, Reproduzierbarkeit, Lebensdauer, einfache Handhabung und Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen sehr gute Eigenschaften besitzen. Der Aufbau dieser Feuchtesensoren besteht im allgemeinen aus einer beidseitig mit Metall bedampften sensitiven Schicht, die aus gesinterten, keramischen, porösen, feuchtesensitiven Materialien besteht. Die sensitive Schicht dient hierbei als Dielektrikum eines Plattenkondensators, wobei die beiden Metallfilme die Elektroden darstellen. Durch die Luftfeuchtigkeit ändert sich die Dielektrizi- tätskonstante der sensitiven Schicht und somit auch die Kapazität des Plattenkondensators bzw. die Leitfähigkeit der sensitiven Schicht.A representative of compact moisture sensors based on organic polymers is the "Humicape" sensor, which consists of cellulose acetate dissolved in ethylene dichloride or cross-linked copolymers of styrene sulfone, vinyl polymer, N, N-methylene-bis-acrylamide and polyvinyl chloride. Compared to ceramic moisture sensors, the short lifespan of organic moisture sensors is very disadvantageous. In addition, with these materials there is the problem of reproducible sensor production by means of spray coating, dip coating or similar processes. Porous ceramic materials are particularly well suited for the production of moisture sensors, as they have very good properties with regard to their mechanical adhesive strength, reproducibility, durability, easy handling and resistance to environmental influences. The structure of these moisture sensors generally consists of a sensitive layer vapor-coated with metal on both sides, which consists of sintered, ceramic, porous, moisture-sensitive materials. The sensitive layer serves as the dielectric of a plate capacitor, the two metal films representing the electrodes. The relative humidity changes the dielectric constant of the sensitive layer and thus also the capacitance of the plate capacitor or the conductivity of the sensitive layer.
Nachteilig wirken sich bei keramischen Feuchtesensoren Hystereseerscheinungen und Alterungsphänomene besonders bei hohen Feuchtekonzentrationen aus.Hysteresis and aging phenomena have a disadvantageous effect on ceramic moisture sensors, particularly at high moisture concentrations.
Als weitere Möglichkeit der Feuchtemessung sind elektrolytische Feuchtesensoren bekannt. Bei diesem Typus handelt es sich im wesentlichen um ein Feuchte- meßgerät, das auf der Basis von Lithiumchlorid-Fühlern arbeitet. Man nutzt hier zwei Eigenschaften des LiCl aus. Zum einen ist Lithiumchlorid hygroskopisch, d.h. es adsorbiert Wassermoleküle, und zum anderen ist die daraus entstehende Salzlösung ein Elektrolyt, der den elektrischen Strom leitet.Electrolytic moisture sensors are known as a further possibility for moisture measurement. This type is essentially a moisture meter that works on the basis of lithium chloride sensors. Two properties of LiCl are used here. On the one hand, lithium chloride is hygroscopic, i.e. it adsorbs water molecules, and on the other hand the resulting salt solution is an electrolyte that conducts the electric current.
Ein großer Nachteil der Elektrolyt-Feuchtesensoren auf Basis von LiCl ist deren relativ langsame Ansprechzeit. Aber auch in sehr feuchter Umgebung sollten sie nicht eingesetzt werden, da dies zu negativen Einflüssen in der Präzision und der Lebensdauer des Sensors führt. Besonders nachteilig sind hierbei die Alterungseffekte des Sensors aufgrund der Kristall- bildung des LiCl.A major disadvantage of electrolyte moisture sensors based on LiCl is their relatively slow response time. But they should also be used in very humid environments not be used as this leads to negative influences in the precision and the service life of the sensor. The aging effects of the sensor due to the crystal formation of the LiCl are particularly disadvantageous here.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtedetektor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der eine schnelle Ansprechzeit, hohe Empfindlichkeit sowie gute Langzeitstabilität aufweist .The invention has for its object to provide a moisture detector and a method for its production, which has a fast response time, high sensitivity and good long-term stability.
Die Aufgabe wird mit dem Feuchtedetektor gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Feuchtedetektors und des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the moisture detector according to claim 1 and the method according to claim 13. Advantageous embodiments of the moisture detector and the method are the subject of the subclaims.
Der erfindungsgemäße Feuchtedetektor besteht aus einem Träger, auf dem zumindest zwei Elektroden, vorzugsweise in Interdigitalstruktur, angeordnet sind. Zur elektrischen Isolation vom Träger kann zusätzlich eine isolierende Zwischenschicht zwischen Träger und Elektroden vorgesehen sein. Zwischen den Elektroden erstreckt sich eine Schicht aus einem bestimmten hygroskopischen Material. Dieses hygroskopischeThe moisture detector according to the invention consists of a carrier on which at least two electrodes, preferably in an interdigital structure, are arranged. For electrical insulation from the carrier, an insulating intermediate layer can additionally be provided between the carrier and electrodes. A layer of a certain hygroscopic material extends between the electrodes. This hygroscopic
Material zeichnet sich dadurch aus, daß bei Aufnahme von Feuchtigkeit und Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden eine Elektrolyse von Wasser in der Schicht stattfindet. Der hierdurch hervorgerufene Elektrolysestrom wird zum Nachweis der Feuchte herangezogen. Hierbei wird vorzugsweise ein Schwellwert des Stromes vorgegeben, bei dessen Überschreitung die Feuchte in der Umgebung des Detektors einen bestimmten Wert erreicht hat. Eine Überschreitung des Schwellwertes wird erfaßt und gegebenenfalls in ein Signal zur Auslösung einer Folgeaktion, beispielsweise die Auslösung eines Alarmes oder die Betätigung eines Aktors, abgegeben.Material is characterized in that when moisture is absorbed and an electrical voltage is applied to the electrodes, electrolysis of water takes place in the layer. The resulting electrolysis current is used to detect the moisture. In this case, a threshold value of the current is preferably specified, the moisture in the environment being exceeded when it is exceeded of the detector has reached a certain value. If the threshold value is exceeded, it is detected and, if necessary, output in a signal for triggering a subsequent action, for example triggering an alarm or actuating an actuator.
Im Gegensatz zu den bereits angeführten elektrolytischen Feuchtesensoren auf Basis von Ionenkristallen wie LiCl bewirkt das erfindungsgemäß eingesetzte hygroskopische Material eine Elektrolyse des Wassers in der Sensorflache, d.h. in der zwischen den Elektroden befindlichen hygroskopischen Schicht. Bei einem Sensor mit einer Schicht aus LiCl gemäß dem Stand der Technik wird das LiCl durch die Feuchte in eine Salzlösung umgewandelt, so daß eine Elektrolyse von Li+ und Cl~- Ionen stattfindet. Dies ruft jedoch die oben angeführten Nachteile hervor.In contrast to the previously mentioned electrolytic moisture sensors based on ion crystals such as LiCl, the hygroscopic material used according to the invention causes electrolysis of the water in the sensor surface, ie in the hygroscopic layer located between the electrodes. In the case of a sensor with a layer of LiCl according to the prior art, the LiCl is converted into a salt solution by the moisture, so that electrolysis of Li + and Cl ~ ions takes place. However, this creates the disadvantages mentioned above.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors hat jedoch den überraschenden Vorteil, daß durch dieHowever, the use of the sensor according to the invention has the surprising advantage that
Ausnutzung der Elektrolyse von Wasser keine Veränderung des Sensormaterials erfolgt, so daß eine gute Langzeitstabilität des Detektors resultiert.Utilization of the electrolysis of water does not change the sensor material, so that good long-term stability of the detector results.
Vorzugsweise wird ein hygroskopisches Material eingesetzt, das mit Wasser eine chemische Reaktion eingeht, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden rückgängig gemacht werden kann. Beispiele für solche Materialien sind Stoffe, die mit Wasser eine Säure oder Base bilden. Durch die Rückreaktion bei Anlegen der elektrischen Spannung an die Elektroden steht somit das Wasser in der Sensorfläche zur Elektrolyse zur Verfügung. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird als hygroskopisches Material P2O5 eingesetzt.A hygroscopic material is preferably used, which enters into a chemical reaction with water, which can be reversed by applying an electrical voltage to the electrodes. Examples of such materials are substances that form an acid or base with water. Due to the back reaction when the electrical voltage is applied to the electrodes, the water in the sensor surface is thus available for electrolysis. In a particularly advantageous embodiment, P 2 O 5 is used as the hygroscopic material.
Die besonderen Vorteile dieses Materials gegenüber dem bei herkömmlichen Elektrolytsensoren eingesetzten LiCl bestehen in den erreichbaren kurzen Ansprechzeiten des Detektors, die auf die stark hygroskopische Eigenschaft des P205 zurückzuführen sind. Hierdurch werden empfindlichere Messungen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht in der guten Haftfähigkeit diesesThe special advantages of this material compared to the LiCl used in conventional electrolyte sensors are the achievable short response times of the detector, which can be attributed to the highly hygroscopic property of the P 2 0 5 . This enables more sensitive measurements. Another advantage is the good adhesion of this
Materials auf dem Substrat, so daß kein zusätzlicher Binder erforderlich ist. Auch bei dieser Ausführungsform des Feuchtedetektors kann, wie bereits oben dargelegt, die Alterung des "sensitiven" Materials vernachlässigt werden.Material on the substrate so that no additional binder is required. With this embodiment of the moisture detector, as already explained above, the aging of the "sensitive" material can be neglected.
Das aus P2Ü5 bestehende, sensitive Material wird hierbei vorzugsweise, wie weiter unten beschrieben, durch Spray-Coating, Elektrolysieren und Ausheizen als geschlossene Schicht auf die Elektrodenstruktur auf- gebracht.The sensitive material consisting of P 2 Ü5 is preferably applied as a closed layer to the electrode structure by spray coating, electrolysis and heating, as described below.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feuchtedetektors besteht der Träger aus einem Substrat aus halbleiterkompatiblem Material, beispielsweise aus Al203, Si, Si02 oder Si3N4. Hierdurch läßt sich der Detektor vorteilhaft direkt in die elektronischen Schaltungen bzw. auf ein gemeinsames Substrat mit den Schaltungen integrieren, deren Umgebungsfeuchte überwacht werden soll. Die Elektroden können beispielsweise in Planartechnik auf das Substrat aufgebracht werden. Die Schicht kann sich hierbei entweder nur zwischen den Elektroden erstrecken oder diese auch vollständig bedecken .In a further advantageous embodiment of the moisture detector according to the invention, the carrier consists of a substrate made of semiconductor-compatible material, for example Al 2 O 3 , Si, SiO 2 or Si 3 N 4 . As a result, the detector can advantageously be integrated directly into the electronic circuits or onto a common substrate with the circuits whose ambient humidity is to be monitored. The electrodes can, for example, be applied to the substrate using planar technology. The layer can either only between the Extend electrodes or cover them completely.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstel- lung des Feuchtedetektors wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, auf das die Elektroden, beispielsweise in Dünnfilm- oder Dickfilmtechnik aufgebracht werden. Weiterhin wird ein hygroskopisches Material eingesetzt, das mit Wasser eine chemische Reaktion eingeht, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung rückgängig gemacht werden kann. Das hygroskopische Material wird in wäßriger Form auf das Substrat aufgebracht, so daß es sich zumindest zwischen den Elektroden erstreckt. Das Aufbringen kann beispielsweise mittels der Technik des Spray-Coatings erfolgen. Schließlich wird das hygroskopische Material durch Anlegen einer für die Elektrolyse von Wasser ausreichenden elektrischen Spannung an die Elektroden bei erhöhter Temperatur getrocknet. Die Trocknung erfolgt hierbei durch die erhöhte Temperatur und die Elektrolyse des Wassers.In the method according to the invention for producing the moisture detector, a substrate is first provided to which the electrodes are applied, for example using thin-film or thick-film technology. Furthermore, a hygroscopic material is used, which enters into a chemical reaction with water, which can be reversed by applying an electrical voltage. The hygroscopic material is applied to the substrate in aqueous form so that it extends at least between the electrodes. The application can take place, for example, by means of the spray coating technique. Finally, the hygroscopic material is dried at an elevated temperature by applying an electrical voltage sufficient for the electrolysis of water to the electrodes. The drying takes place due to the elevated temperature and the electrolysis of the water.
In einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der Schicht werden die Elektroden, beispielsweise mittels Spray-Coating, mit wäßriger P205 bedeckt, so daß eine geschlossene Schicht aus feuchtesensitivem Material entsteht. Diese Schicht aus wäßriger P2Os wird, wie bereits ausgeführt, durch Elektrolyse von Wasser unter permanent erhöhter Temperatur getrocknet, so daß eine feuchtesensitive Schicht aus getrocknetem Sensormaterial entsteht.In a preferred embodiment for producing the layer, the electrodes are covered, for example by means of spray coating, with aqueous P 2 0 5 , so that a closed layer of moisture-sensitive material is formed. As already stated, this layer of aqueous P 2 Os is dried by electrolysis of water at a permanently elevated temperature, so that a moisture-sensitive layer of dried sensor material is formed.
Die aufgebrachte Schicht zeichnet sich durch extrem hygroskopische und elektrolytische Eigenschaften aus, deren elektrische Leitfähigkeit sich in Abhängigkeit von der Wasserdampf-Konzentration ändert. Während der Messung werden die absorbierten Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff elektrolysiert , wobei der Gleichgewichts-Elektrolysestrom als indirektes Maß für die Feuchtigkeit steht.The applied layer is characterized by extremely hygroscopic and electrolytic properties whose electrical conductivity changes depending on the water vapor concentration. During the measurement, the absorbed water molecules are electrolyzed in hydrogen and oxygen, the equilibrium electrolysis current being an indirect measure of the moisture.
Selbstverständlich läßt sich die hygroskopische Schicht für den Feuchtedetektor auch mit anderen Verfahren auf das Substrat bzw. die Elektroden aufbringen, beispielsweise durch Auftropfen in einem geeigneten, leicht flüchtigen Lösungsmittel, das sich anschließend von selbst verflüchtigt.Of course, the hygroscopic layer for the moisture detector can also be applied to the substrate or the electrodes by other methods, for example by dropping in a suitable, volatile solvent which then volatilizes by itself.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einesThe invention is based on a
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur näher erläutert .Embodiment explained in connection with the figure.
Die Figur zeigt hierbei ein Beispiel für den möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Feuchtedetektors. Der Detektor besteht aus einem Substrat (1) , auf dessen Vorderseite zwei voneinander beabstandete Elektroden (2, 3) in Interdigitalstruktur (nicht dargestellt) aufgebracht sind, so daß die einzelnen "Finger" der Elektroden ineinandergreifen. Die Interdigitalstruktur wird von einer geschlossenen Schicht (4) aus dem hygroskopischen Material bedeckt. Ein derartiger Detektor läßt sich mit Abmessungen von beispielsweise 2mm x 3mm für das Substrat (1) realisieren.The figure shows an example of the possible structure of a moisture detector according to the invention. The detector consists of a substrate (1), on the front of which two electrodes (2, 3) spaced apart from one another are applied in an interdigital structure (not shown), so that the individual "fingers" of the electrodes interlock. The interdigital structure is covered by a closed layer (4) made of the hygroscopic material. Such a detector can be implemented with dimensions of, for example, 2mm x 3mm for the substrate (1).
Die hygroskopische Schicht (4) besteht im vorliegenden Beispiel aus P0 , einem stark hygros- kopischen Material. Auf dem Substrat (1) sind Interdigitalelektroden (2, 3) aus Platin aufgebracht.In the present example, the hygroscopic layer (4) consists of P0, a highly hygroscopic copy material. Interdigital electrodes (2, 3) made of platinum are applied to the substrate (1).
Die Interdigitalelektroden werden durch Abscheiden von Platin und nachfolgende Strukturierung mit üblichen Photolithographietechniken, wie sie zum Beispiel in D. Widmann et al . , "Technologie hochintegrierter Schaltungen", 2.Aufl., Springer-Verlag, Berlin 1996 nachzulesen sind, auf das Substrat aufgebracht. Die Interdigitalstruktur kann hierbei mit Dick- oder Dünnfilm- technik beliebig konfiguriert werden.The interdigital electrodes are produced by depositing platinum and subsequent structuring using conventional photolithography techniques, as described, for example, in D. Widmann et al. , "Technology of highly integrated circuits", 2nd ed., Springer-Verlag, Berlin 1996, applied to the substrate. The interdigital structure can be configured as desired using thick or thin film technology.
Zum Aufbringen der hygroskopischen Schicht wird zunächst eine Lösung von wäßriger P205 mittels Spray- Coating auf das Substrat aufgebracht. In dem dadurch entstandenen Oberflächenfilm wird das Wasser durch Elektrolyse von Wasser unter permanentem Heizen zersetzt und somit die Schicht getrocknet. Die Elektrolyse des Wassers wird durch Anlegen einer Spannung von wenigen Volt an die Interdigitalelektroden bewirkt. Das gleichzeitige Heizen auf eine Temperatur von oberhalb 100°C kann durch unterschiedliche Heiztechniken, beispielsweise in einem Ofen, durch Bestrahlung, durch zusätzliche Heizelemente im Substrat o.a. erfolgen.To apply the hygroscopic layer, a solution of aqueous P 2 0 5 is first applied to the substrate by means of spray coating. In the resulting surface film, the water is decomposed by electrolysis of water with permanent heating and the layer is thus dried. The electrolysis of the water is effected by applying a voltage of a few volts to the interdigital electrodes. The simultaneous heating to a temperature above 100 ° C can be carried out by different heating techniques, for example in an oven, by radiation, by additional heating elements in the substrate or the like.
Der Elektrolysestrom geht mit zunehmender Aus- trocknung der P2Os-Lösung auf einen Gleichgewichtszustand zurück, der mit sich ändernder Luftfeuchtigkeit in der Umgebung variiert. Dieser Effekt wird zur Detektion der Feuchte bzw. von Feuchteeinbrüchen in besonders überwachungsbedürftiger Umgebung eingesetzt. Der eigentliche Meß- bzw. Detektionsvorgang besteht somit in der Erfassung einer Veränderung des Elektrolysestroms bei Anliegen einer Spannung an den Elektroden. Der beispielhaft dargestellte Detektor weist kurze Ansprechzeiten aufgrund der starken Hydrophilie des Sensormaterials auf. Hierdurch werden genaue Feuchtemessungen auch sehr geringer Feuchte durch exakte Strommessungen ermöglicht. Die Alterung des "sensitiven" Materials kann vernachlässigt werden.With increasing drying out of the P 2 Os solution, the electrolysis current returns to an equilibrium state which varies with changing ambient air humidity. This effect is used for the detection of moisture or moisture dips in an environment requiring special monitoring. The actual measuring or detection process therefore consists in detecting a change in the electrolysis current when a voltage is applied to the electrodes. The detector shown as an example has short response times due to the strong hydrophilicity of the sensor material. This enables precise moisture measurements, even of very low humidity, through exact current measurements. The aging of the "sensitive" material can be neglected.
In einer weitergehenden Ausgestaltung des Feuchtedetektors ist auf der Rückseite des Substrates eine HeizVorrichtung zur Beheizung der hygroskopischenIn a further embodiment of the moisture detector, there is a heating device on the back of the substrate for heating the hygroscopic
Schicht vorgesehen. Mittels dieser Heizvorrichtung kann die hygroskopische Schicht nach "Feuchteunfällen", d.h. bei plötzlicher sehr hoher Wasseraufnahme, schneller regeneriert werden. Weiterhin kann die Heizvorrichtung bereits beim Aufbringen der Schicht vorteilhaft zur Beheizung eingesetzt werden, wie oben erläutert. Die Heizvorrichtung besteht hierbei beispielsweise aus einer mäanderförmigen Struktur eines leitfähigen Materials mit hohem Widerstand, die in Planartechnik auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats aufgebracht sein kann.Layer provided. By means of this heating device, the hygroscopic layer after "moisture accidents", i.e. in the event of sudden very high water absorption, regenerate faster. Furthermore, the heating device can advantageously be used for heating when the layer is applied, as explained above. The heating device here consists, for example, of a meandering structure of a conductive material with high resistance, which can be applied in planar technology on the rear surface of the substrate.
Selbstverständlich kann die Heizvorrichtung auch an anderer Stelle, beispielsweise in einer von der Elektrodenstruktur isolierten Zwischenschicht zwischen Substrat und Elektrodenstruktur vorgesehen sein. Of course, the heating device can also be provided elsewhere, for example in an intermediate layer between the substrate and the electrode structure that is insulated from the electrode structure.

Claims

Patentansprüche claims
Feuchtedetektor, der auf einem Träger (1) eine zwischen zwei Elektroden (2, 3) angeordnete Schicht (4) aus hygroskopischem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material so gewählt ist, daß die von der Schicht (4) aufgenommene Feuchte bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden (2, 3) elektrolysiert wird.Moisture detector which has on a carrier (1) a layer (4) of hygroscopic material arranged between two electrodes (2, 3), characterized in that the material is selected such that the moisture absorbed by the layer (4) when applied an electrical voltage to the electrodes (2, 3) is electrolyzed.
2. Feuchtedetektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das hygroskopische Material mit Wasser eine chemische Reaktion eingeht, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden (2, 3) rückgängig gemacht werden kann.2. Moisture detector according to claim 1, characterized in that the hygroscopic material undergoes a chemical reaction with water, which can be reversed by applying an electrical voltage to the electrodes (2, 3).
3. Feuchtedetektor nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das hygroskopische Material mit Wasser eine Säure oder Base bildet.3. Moisture detector according to claim 1 or 2, characterized in that the hygroscopic material forms an acid or base with water.
4. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hygroskopische Material aus P205 besteht.4. Moisture detector according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hygroscopic material consists of P 2 0 5 .
5. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Träger (1) eine Heizvorrichtung zum Aufheizen der Schicht (4) vorgesehen ist. 5. Moisture detector according to one of claims 1 to 4, characterized in that a heating device for heating the layer (4) is provided on the carrier (1).
6. Feuchtedetektor nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung die Einstellung unter- schiedlicher Betriebstemperaturen der Schicht (4) ermöglicht.6. Moisture detector according to claim 5, characterized in that the heating device enables the setting of different operating temperatures of the layer (4).
7. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (4) eine Dicke von maximal 2 μ aufweist .7. Moisture detector according to one of claims 1 to 6, characterized in that the layer (4) has a thickness of at most 2 μ.
8. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) eine Interdigitalstruktur bilden.8. Moisture detector according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrodes (2, 3) form an interdigital structure.
9. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) ein Substrat aus halbleiterkompatiblem Material ist.9. Moisture detector according to one of claims 1 to 8, characterized in that the carrier (1) is a substrate made of semiconductor-compatible material.
10. Feuchtedetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) in Planartechnik aufgebracht sind.10. Moisture detector according to claim 9, characterized in that the electrodes (2, 3) are applied in planar technology.
11. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) von der Schicht (4) bedeckt werden. 11. Moisture detector according to one of claims 1 to 10, characterized in that the electrodes (2, 3) are covered by the layer (4).
12. Feuchtedetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden (2, 3) sowie eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Größe eines zwischen den Elektroden fließenden Elektrolysestroms vorgesehen sind.12. Moisture detector according to one of claims 1 to 11, characterized in that a voltage source for applying a DC voltage to the electrodes (2, 3) and a measuring device for detecting the size of an electrolysis current flowing between the electrodes are further provided.
13. Verfahren zur Herstellung eines Feuchtedetektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:13. A method for producing a moisture detector according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
- Bereitstellen eines Substrates (1) ;- Providing a substrate (1);
- Aufbringen von Elektroden (2, 3) auf das Substrat; - Bereitstellen eines hygroskopischen Materials, das mit Wasser eine chemische Reaktion eingeht, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung rückgängig gemacht werden kann;- Application of electrodes (2, 3) on the substrate; - Providing a hygroscopic material that undergoes a chemical reaction with water that can be reversed by applying an electrical voltage;
- Aufbringen des hygroskopischen Materials in wäßriger Form auf das Substrat (1) , so daß es sich zwischen den Elektroden (2, 3) erstreckt;- Applying the hygroscopic material in aqueous form to the substrate (1) so that it extends between the electrodes (2, 3);
- Trocknen des hygroskopischen Materials durch Anlegen einer für die Elektrolyse von Wasser ausreichenden elektrischen Spannung an die Elektroden (2, 3) bei erhöhter Temperatur.- Drying the hygroscopic material by applying an electrical voltage sufficient for the electrolysis of water to the electrodes (2, 3) at an elevated temperature.
14. Verfahren nach Anspruch 13 , wobei als hygroskopisches Material P205 verwendet wird.14. The method according to claim 13, wherein P 2 0 5 is used as the hygroscopic material.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das hygroskopische Material in wäßriger Form mittels Spray-Coating aufgebracht wird. 15. The method according to any one of claims 13 or 14, wherein the hygroscopic material is applied in aqueous form by spray coating.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Elektroden (2, 3) in Dünnfilmtechnik aufgebracht werden.16. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein the electrodes (2, 3) are applied in thin film technology.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Elektroden (2, 3) in Dickfilmtechnik aufgebracht werden. 17. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein the electrodes (2, 3) are applied in thick film technology.
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