WO2014020207A1 - Sensor de condensación, y procedimiento de fabricación de dicho sensor - Google Patents
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Definitions
- the present invention pertains to the field of metrology and testing, and more specifically to sensors or devices for measuring water content.
- the main object of the present invention is a condensation sensor that stands out mainly for its transparent character and ability to be integrated directly into mirrors or windows, as well as for structural simplicity and low manufacturing cost, constituting an alternative to the current condensation sensors .
- the manufacturing method of said condensation sensor is described.
- condensation sensors are known, mainly used in windshields of vehicles or shop windows, and that allow to detect changes in relative humidity or temperature, and in this case activate some fan or heating equipment by means of which it is avoided the generation of fog and the fogging of the crystals.
- Some examples of these condensation sensors currently known in the market are: “Thermokon WK01” or “Dewing Sensor BTF 1 1344”.
- transparent conductors are an integral part of many electronic devices, including flat screen televisions, plasma televisions, touch panels, as well as solar cells.
- the current standard for transparent conductors is tin and indium oxide (ITO), which have several limitations; ITO oxide is expensive, both for its production costs and for the relative shortage of indium, being also a rigid and fragile component.
- factors such as glass temperature, corrugation, or the existence of coatings may vary the conditions under which condensation of water vapor in the crystals occurs.
- ITO indium-tin oxide
- condensation By means of the present invention, the aforementioned drawbacks are resolved by providing a condensation sensor, of special application for integration in mirrors and / or advantages, and which allows the presence of existing water on the surface of a glass to be detected directly, hiding its presence due to its transparency. Also, according to another object of the invention, the manufacturing method of said sensor is described. condensation.
- the method of manufacturing the condensation sensor object of the invention comprises at least the following steps: depositing an oxide layer of transparent conductive material on an electrical insulating substrate, said deposit being preferably made by sputtering; deposit of a resin layer on the oxide layer; lithography of the resin layer using a mask with interdigitated electrode pattern; and immersion of the sample formed by the oxide layer and the resin layer in an acid solution for the definition of the electrodes on said resin, said acid solution being preferably formed by phosphoric acid, acetic acid and water. More preferably, the relative proportions of said acid solution are: 1 part phosphoric acid, 1 part acetic acid, and between 50 and 100 parts water.
- the manufacturing process of the condensation sensor described herein may comprise an additional immersion stage of the sample formed by the oxide layer and the resin layer in a second solution formed by a thiolated compound and ethanol, for the creation of a coating on the oxide layer.
- This coating allows to increase the performance and performance of the condensation sensor object of the invention, increasing its sensitivity in the detection of the condensation of water vapor existing on the surface of the glass.
- oxide layer of transparent conductive material it is intended to be an oxide selected from: zinc oxide, zinc oxide doped with aluminum, zinc oxide doped with gallium, tin oxide, and titanium oxide.
- this may be optical lithography, or electronic lithography with which submicron distances between the interdigitated electrodes of the sensor can be achieved.
- a sensor of condensation with a manufacturing cost substantially lower than that of current sensors and in which organic compounds based on sulfur chemistry are used, which allow modifying the surface properties of the sensor and making it more sensitive to the water tank.
- the properties of the condensation sensor are enhanced by the functionalization of its surface with organic compounds, increasing the electrical signal it provides. the sensor before condensation, and consequently making the sensor more robust to the impact of electrical noise and simplifying the signal processing.
- Figure 1 Shows an electrical scheme of the electronic circuit that incorporates the condensation sensor object of the invention.
- the manufacturing method of the condensation sensor (1) object of the invention comprises the steps:
- an oxide layer of transparent conductive material in particular zinc oxide doped with aluminum, on an electrical insulating substrate of quartz, although it may be a substrate of another material, such as glass or kapton, and where said oxide layer deposit has been made by sputtering,
- a condensation sensor (1) adapted for the generation of an analog electrical signal is obtained from the detection of condensation of water vapor on a surface, such as a mirror or a window.
- FIG 1 an electronic circuit (10) which incorporates the condensation sensor (1) mentioned above, and which in the present example comprises:
- microprocessor (14) in the present embodiment an ATMega328 microprocessor, linked to the A / D converter (13) and adapted to activate a switch or relay (15) in case said digital signal exceeds a certain voltage threshold value, said relay (15) being connectable to a fan unit or heater (16) for the elimination of condensation.
- the current flowing through the condensation sensor is very low (less than 1 pA) and the resistance voltage is practically zero, so nothing happens and the fan or heater equipment (16) is not activated.
- the condensation sensor (1) in case of condensation of water vapor on said surface, for example in the mirror of a domestic bathroom after a user has showered, the condensation sensor (1) generates an analog signal greater than 100nA of current, and therefore results in resistance to a voltage greater than 100mV.
- This voltage is converted to a digital signal by means of the A / D converter (13); said digital signal arriving at the microprocessor (14), which is programmed and adapted to activate the relay (15) linked to a fan or heater equipment (16) by which the vapor or condensation of water vapor existing in the water will finally be eliminated. mirror.
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Abstract
Permite obtener un sensor de condensación (1) transparente a un coste de fabricación sustancialmente menor al de los actuales sensores de condensación, y en el cual se emplean compuestos orgánicos basados en la química del azufre, que permiten modificar las propiedades de la superficie del sensor y hacerlo más sensible al depósito de agua, incrementando la señal eléctrica que proporciona el sensor de condensación (1) ante la condensación de vapor de agua, y en consecuencia haciendo al sensor más robusto al impacto del ruido eléctrico y simplificando el procesado de la señal. Cabe destacar además que este sensor de condensación (1) permite ser integrado en sustratos transparentes y/o flexibles, disimulando su presencia y en consecuencia favoreciendo su aplicación en espejos o ventanas.
Description
SENSOR DE CONDENSACIÓN. Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE
DICHO SENSOR
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de la metrología y los ensayos, y más concretamente a los sensores o dispositivos de medida del contenido de agua.
El objeto principal de la presente invención es un sensor de condensación que destaca fundamentalmente por su carácter transparente y capacidad para ser integrado directamente en espejos o ventanas, así como por sencillez estructural y bajo coste de fabricación, constituyendo una alternativa a los actuales sensores de condensación. Por otro lado, según otro objeto de la invención, se describe el procedimiento de fabricación de dicho sensor de condensación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad son conocidos los sensores de condensación, utilizados principalmente en parabrisas de vehículos o en escaparates de establecimientos, y que permiten detectar cambios en la humedad relativa o la temperatura, y en tal caso activar unos equipos ventiladores o calefactores mediante los cuales se evita la generación de vaho y el empañamiento de los cristales. Algunos ejemplos de estos sensores de condensación conocidos actualmente en el mercado son: "Thermokon WK01 " o el "Dewing Sensor BTF 1 1344".
Más en particular, los conductores transparentes son parte integral de muchos dispositivos electrónicos, incluidos los televisores de pantalla plana, de plasma, paneles táctiles, así como células solares. El actual estándar para los conductores transparentes es el óxido de estaño e indio (ITO), los cuales tienen varias limitaciones; el óxido ITO es caro, tanto por sus costes de producción como por la
relativa escasez de indio, siendo además un componente rígido y frágil. Por otra parte, factores como la temperatura del cristal, la corrugación, o la existencia de recubrimientos pueden hacer variar las condiciones en las que se produce la condensación del vapor de agua en los cristales.
Así, se conocen en el estado de la técnica las solicitudes de patente americanas US2006/0063120A1 "Sensor unit device and method for avoiding condensation on a surface", así como la solicitud US2008/0258743A1 "Condensation sensor". Sin embargo, los sensores de condensación conocidos hasta ahora presentan al menos uno de los siguientes inconvenientes:
- están fabricados y diseñados con materiales muy caros, en concreto emplean óxido ITO (óxido de indio-estaño) de elevado precio,
- no son transparentes, por lo que su visibilidad y presencia una vez instalados en la superficie en cuestión (parabrisas, escaparates, etc.) resultan molestos, aparatosos y antiestéticos, reduciendo además el espacio útil de dichas superficies,
- no pueden integrarse directamente en espejos o ventanas, y mucho menos en sustratos flexibles,
- su rendimiento y eficacia en cuanto a detección de depósito de agua son claramente optimizables,
- sus modos de funcionamiento se basan en cambios de capacidad o de temperatura, menos eficientes.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Mediante la presente invención se resuelven los inconvenientes anteriormente citados proporcionando un sensor de condensación, de especial aplicación para su integración en espejos y/o ventajas, y que permite detectar directamente la presencia de agua existente sobre la superficie de un cristal, disimulando su presencia debido a su transparencia. Asimismo, de acuerdo con otro objeto de la invención se describe el procedimiento de fabricación de dicho sensor de
condensación.
Más concretamente, el procedimiento de fabricación del sensor de condensación objeto de invención, comprende al menos las siguientes etapas: depósito de una capa de óxido de material conductor transparente sobre un sustrato aislante eléctrico, siendo preferentemente dicho depósito realizado por pulverización catódica; depósito de una capa de resina sobre la capa de óxido; litografía de la capa de resina empleando para ello una máscara con patrón de electrodos interdigitados; e inmersión de la muestra formada por la capa de óxido y la capa de resina en una disolución ácida para la definición de los electrodos sobre dicha resina, estando dicha disolución ácida formada preferentemente por ácido fosfórico, ácido acético y agua. Más preferentemente, las proporciones relativas de dicha disolución ácida son: 1 parte de ácido fosfórico, 1 parte de ácido acético, y entre 50 y 100 partes de agua.
Además, se ha previsto que el procedimiento de fabricación del sensor de condensación aquí descrito pueda comprender una etapa adicional de inmersión de la muestra formada por la capa de óxido y la capa de resina en una segunda disolución formada por un compuesto tiolado y etanol, para la creación de un recubrimiento sobre la capa de óxido. Este recubrimiento permite incrementar las prestaciones y el rendimiento del sensor de condensación objeto de invención, aumentado su sensibilidad en la detección de la condensación de vapor de agua existente sobre la superficie del cristal.
Con respecto a la capa de óxido de material conductor transparente se ha previsto que sea un óxido seleccionado entre: óxido de cinc, óxido de cinc dopado con aluminio, óxido de cinc dopado con galio, óxido de estaño, y óxido de titanio.
Por otro lado, en relación a la etapa de litografía, se ha previsto que ésta pueda ser litografía óptica, o litografía electrónica con la que se pueden conseguir distancias submicrométricas entre los electrodos interdigitados del sensor.
Por tanto, mediante la presente invención se proporciona un sensor de
condensación con un coste de fabricación sustancialmente menor al de los sensores actuales y en el cual se emplean compuestos orgánicos basados en la química del azufre, que permiten modificar las propiedades de la superficie del sensor y hacerlo más sensible al depósito de agua. De esta manera, además de conseguir un sensor de condensación transparente que permite disimular su presencia en sustratos transparentes y/o flexibles, las propiedades del sensor de condensación se ven potenciadas por la funcionalización de su superficie con compuestos orgánicos, incrementando la señal eléctrica que proporciona el sensor ante la condensación, y en consecuencia haciendo al sensor más robusto al impacto del ruido eléctrico y simplificando el procesado de la señal.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 .- Muestra un esquema eléctrico del circuito electrónico que incorpora el sensor de condensación objeto de invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación un ejemplo de realización preferida, haciendo mención a la figura arriba citada, sin que ello suponga limitación alguna en el ámbito de protección de la presente invención.
Según una realización preferente, el procedimiento de fabricación del sensor de condensación (1 ) objeto de invención, comprende las etapas:
a) depósito de una capa de óxido de material conductor transparente, en concreto óxido de cinc dopado con aluminio, sobre un sustrato aislante eléctrico
de cuarzo, pudiendo ser no obstante un sustrato de otro material, tal como vidrio o kapton, y donde dicho depósito de capa de óxido se ha realizado por pulverización catódica,
b) depósito de una capa de resina sobre la capa de óxido,
c) litografía óptica de la capa de resina empleando para ello una máscara con patrón de electrodos interdigitados,
d) inmersión de la muestra formada por la capa de óxido y la capa de resina en una disolución ácida formada por ácido fosfórico, ácido acético y agua en unas proporciones relativas entre sí de 1/1/75 respectivamente, para la definición de los electrodos sobre dicha resina, e
e) inmersión de la muestra formada por la capa de óxido y la capa de resina en una segunda disolución formada por un compuesto tiolado y etanol, para la creación de un recubrimiento sobre la capa de óxido.
Así se obtiene un sensor de condensación (1 ) adaptado para la generación de una señal eléctrica analógica a partir de la detección de condensación de vapor de agua sobre una superficie, tal como un espejo o una ventana.
Por otra parte, en la figura 1 se muestra un circuito electrónico (10) que incorpora el sensor de condensación (1 ) arriba citado, y que en el presente ejemplo comprende:
- una pila (1 1 ) de 9V para el suministro eléctrico del sensor de condensación (1 ),
- una resistencia (12) de entre 100ΚΩ y 1 ΜΩ, conectada en serie con el sensor de condensación (1 ),
- un convertidor A/D (13) para la conversión de la señal analógica generada por el sensor de condensación (1 ) en una señal digital, y
- un microprocesador (14), en la presente realización un microprocesador ATMega328, vinculado al convertidor A/D (13) y adaptado para activar un interruptor o relé (15) en caso de que dicha señal digital supere un determinado valor umbral de tensión, siendo dicho relé (15) conectable a un equipo ventilador o
calefactor (16) para la eliminación de la condensación.
Así, en ausencia de condensación de vapor de agua sobre la superficie en cuestión, espejo, ventana o similar, la corriente que circula por el sensor de condensación es muy baja (inferior a 1 pA) y la tensión en la resistencia es prácticamente nula, por lo que no ocurre nada y el equipo ventilador o calefactor (16) no se activa.
Por el contrario, en caso de producirse una condensación de vapor de agua en dicha superficie, por ejemplo en el espejo de un baño doméstico tras haberse duchado un usuario, el sensor de condensación (1 ) genera una señal analógica superior a 100nA de corriente, y por tanto da lugar en la resistencia a una tensión superior a 100mV. Esta tensión es convertida a señal digital mediante el convertidor A/D (13); llegando dicha señal digital al microprocesador (14), el cual está programado y adaptado para activar el relé (15) vinculable a un equipo ventilador o calefactor (16) mediante el cual se eliminará finalmente el vaho o condensación de vapor de agua existente en el espejo.
Claims
1 . - Procedimiento de fabricación de un sensor de condensación (1 ), de los destinados a detectar la condensación de vapor de agua sobre una superficie, caracterizado porque comprende al menos las etapas: a) depósito de una capa de óxido de material conductor transparente sobre un sustrato aislante eléctrico,
b) depósito de una capa de resina sobre la capa de óxido,
c) litografía de la capa de resina empleando para ello una máscara con patrón de electrodos interdigitados, e
d) inmersión de la muestra formada por la capa de óxido y la capa de resina en una disolución ácida para la definición de los electrodos sobre dicha resina.
2. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende adicionalmente una etapa e) de inmersión de la muestra formada por la capa de óxido y la capa de resina en una segunda disolución formada por un compuesto tiolado y etanol, para la creación de un recubrimiento sobre la capa de óxido.
3. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque la etapa a) de depósito de la capa de óxido se realiza por pulverización catódica.
4. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa de óxido de material conductor transparente de la etapa a) es un óxido seleccionado entre:
- óxido de cinc,
- óxido de cinc dopado con aluminio,
- óxido de cinc dopado con galio,
- óxido de estaño, y
- óxido de titanio.
5. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sustrato de la etapa a) es un sustrato de vidrio.
6. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sustrato de la etapa a) es un sustrato de cuarzo.
7. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque el sustrato de la etapa a) es un sustrato de kapton.
8. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque la litografía realizada en la etapa c) es una litografía óptica.
9. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque la litografía realizada en la etapa c) es una litografía electrónica.
10. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque la disolución ácida de la etapa d) está formada por ácido fosfórico, ácido acético y agua.
1 1 . - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la disolución ácida comprende las siguientes proporciones relativas de ácido fosfórico, ácido acético y agua entre sí:
- 1 parte de ácido fosfórico,
- 1 parte de ácido acético, y
- entre 50 y 100 partes de agua.
12. - Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1 1 , caracterizado porque la disolución ácida comprende las siguientes proporciones
relativas:
- 1 parte de ácido fosfórico,
- 1 parte de ácido acético, y
- 75 partes de agua.
13. - Sensor de condensación (1 ) directamente obtenible según el procedimiento de fabricación descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 12, y adaptado para la generación de una señal eléctrica analógica a partir de la detección de condensación de vapor de agua sobre una superficie.
14. - Circuito electrónico (10) que incorpora el sensor de condensación (1 ) de la reivindicación 13, caracterizado porque comprende adicionalmente:
- una pila (1 1 ) para el suministro eléctrico del sensor de condensación (1 ),
- una resistencia (12) conectada en serie con el sensor de condensación
(1 ),
- un convertidor analógico digital (13) para la conversión de la señal analógica generada por el sensor de condensación (1 ) en una señal digital, y
- un microprocesador (14) vinculado al convertidor analógico digital (13) y adaptado para activar un relé (15) en caso de que dicha señal digital supere un determinado valor umbral de tensión, siendo dicho relé (15) conectable a un equipo ventilador o calefactor (16) para la eliminación de la condensación.
Applications Claiming Priority (2)
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