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Die
Erfindung betrifft eine neuartige Technik zur Verwirklichung von
kapazitiven Sensoren, die insbesondere zur Realisierung von relativen
Feuchtigkeitsmessungen bestimmt sind. Aus Folgendem ergibt sich,
dass sich die im Umfang der vorliegenden Erfindung erläuterte Technik
und die dabei erläuterten
Ausführungsformen
auf die Verwirklichung von Sensoren beziehen können, die zur Realisierung
anderer Messungen verwendbar sind.
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Es
sind mehrere Verfahren zur Verwirklichung von kapazitiven Sensoren
und der Verwendung derartiger Sensoren zur Verwirklichung von Feuchtigkeitsmessungen
bekannt.
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Die
zum Einsatz kommende Technik besteht darin, zwei ebene Elektroden
vorzusehen, wobei zwischen diesen Elektroden ein Material angeordnet wird,
dessen dielektrische Eigenschaften durch das Vorhandensein (oder
Nichtvorhandensein) von Feuchtigkeit in der Umgebungsluft modifiziert
werden. Die Modifikation dieser Eigenschaften des Dielektrikums
ruft eine Veränderung
der Kapazität
des hierdurch verwirklichten Kondensators hervor, und das Ausgangssignal
gibt eine Information über
den Feuchtigkeitsgehalt der Luft. Die Verarbeitung dieses Ausgangssignals
stellt kein spezielles Problem dar, und sie wird beispielsweise
mit Hilfe eines RC- bzw. RLC-Kreises bewerkstelligt.
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In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik wird eine der Elektroden durch Abscheidung einer Metallschicht auf
einem isolierenden Substrat und die andere durch eine feine Metallschicht
auf dem Dielektrikum verwirk licht. In einer aktuell zum Einsatz
kommenden Ausführungsform
erfolgt eine Metallisierung im Vakuum, was eine sehr geringe Metallstärke ergibt.
Damit ein kapazitiver Sensor als Feuchtigkeitssensor arbeitet, ist
es unerlässlich,
dass die feuchte Luft, die charakterisiert werden soll, in das Innere
des Kondensators eindringen kann, um das Dielektrikum zu beeinflussen.
Es wird bemerkt, dass eine speziell feine poröse Elektrode bereitgestellt
werden muss. Wenn diese Elektrode aus Metall hergestellt wird, wird
auf Grund der Atomstruktur dieser Metalle die Grenze zwischen der
elektrischen Kontinuität
und der Dichtigkeit für
eine Stärke
in der Größenordnung
von 1/100 μm
erreicht, und dies ungeachtet des verwendeten Metalls (üblicherweise
Chrom, Nickel oder Gold). Abgesehen von der relativen Zerbrechlichkeit des
Sensors bringt diese Ausführungsform
zahlreiche Nachteile mit sich; insbesondere ist die Verwirklichung
einer zuverlässigen
Verbindung zwischen dieser speziell feinen Elektrode und der Messschaltung
extrem kritisch. Außerdem
ist festzustellen, dass die aktuell verwirklichten kapazitiven Sensoren eine
minutiöse
und sorgfältige
Herstellungsabfolge erfordern; zu einem ersten Zeitpunkt wird Metall
auf einem Substrat abgeschieden, und dies auf zwei unterschiedlichen
Zonen, einer Zone, die als erste Elektrode dient, und einer weiteren,
die als Schalter für die
zweite Elektrode verwendet wird. Dieser Aufbau wird daraufhin durch
einen dielektrischen Film abgedeckt, der auf dem Niveau der Kontaktzone
unterbrochen wird, die für
die zweite Elektrode gebildet ist. Daraufhin erfolgt die Anbindung
der zweiten Elektrode, das heißt,
durch Abscheidung eines Metallfilms mit einer Stärke in der Größenordung
von einem Hundertstel um. Das heißt, es ist unerlässlich,
die Nutzfläche
von zumindest einer Elektrode zu justieren, um die erwünschte Kapazität für einen
gegebenen Feuchtigkeitsgrad zu erzielen. Unterschiedliche Verfahren
sind vorgeschlagen worden, um diese Ka librierung a posteriori zu
verwirklichen; zu nennen ist das französische Patent FR-2687834 (Coreci),
das mehrere geeignete Brücken
vorsieht, die durchtrennt werden, und das englische Patent GB-2213323
(Vaisala), das die Justage der Nutzfläche einer Elektrode vorsieht,
indem diese durch ein Laserverfahren quer über das Substrat ohne Modifizierung
des Dielektrikums isoliert wird. In sämtlichen dieser Fälle ist
der Verfahrensablauf derselbe; ein kapazitiver Sensor wird in Übereinstimmung
mit dem vorstehend erläuterten
Verfahren verwirklicht, indem maximal Vorsicht walten gelassen wird,
woraufhin das Leistungsvermögen
des Sensors gemessen wird, woraufhin unerlässliche Justagen vorgenommen
werden, um ein praxisgerechtes Ansprechverhalten zu erzielen.
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Aus
welchem Grund auch immer zeigen die in Übereinstimmung mit den vorstehend
erläuterten Verfahren
verwirklichten kapazitiven Sensoren eine Neigung, sich wie "Schwämme" zu verhalten, das heißt, dass
ihre Bestandteile mit feuchter Luft durchtränkt werden (insbesondere an
der Grenzfläche Substrat/Metall
und der ersten Elektrode), wobei sie außerdem eine bestimmte Hysterese
zeigen, und wobei ihr Ansprechverhalten in den Minuten bzw. Stunden
folgend auf ihre Anordnung in einer mit Feuchtigkeit gesättigten
Atmosphäre
bzw. bei Eintauchen in eine Flüssigkeit
fehlerhaft sein kann.
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Der
nicht perfekte und nicht zufrieden stellende Charakter der kapazitiven
Sensoren zur Feuchtigkeitsmessung ist deshalb besonders eindrücklich:
Die Sensoren sind leicht zerbrechlich; ihre Präzision liegt in der Größenordnung
von 10% des gemessenen Werts; sie sind nicht austauschbar; sie unterliegen
der Sättigung,
und ihr Herstellungsverfahren ist sowohl langwierig wie aufwendig
und teuer.
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Eine
andere Art eines kapazitiven Sensors zur Feuchtigkeitsmessung ist
in der Druckschrift US-5177662 erläutert. Dieser Sensor umfasst
zwei poröse
Elektroden, die in Form einer porösen Polymerschicht verwirklicht
sind, die durch Einfluss von leitfähigen Partikeln leitfähig gemacht
sind, wie etwa Kohlenstoffpartikeln. Der wirksame Widerstand dieser
Elektroden liegt dabei in der Größenordnung
von 15.000 Ohm.
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Bei
dem zum Einsatz kommenden Dielektrikum handelt es sich um einen
Polymerfilm mit einer Stärke
von ungefähr
10 μm, wie
etwa Polyimid oder Polyparabansäure.
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Dieser
Sensor besitzt deshalb eine vollständig poröse Struktur.
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Die
Druckschrift EP-A-0010771 offenbart schließlich einen Sensor der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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Die
Erfindung schlägt
vor, Sensoren bereitzustellen, die die vorstehend angesprochenen
Nachteile nicht aufweisen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kapazitiven
Sensor zur Feuchtigkeitsmessung zu schaffen, dessen Herstellung
vereinfacht ist, insbesondere auf dem Niveau der Montage der Elektroden
und des Dielektrikums und der Befestigung der Kontakte zum Abgreifen
von Information.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, kapazitive Sensoren
vorzuschlagen, die besonders robust und zuverlässig sind, und die bei Einfrier-/Auftauzyklen
oder nach einem Eintauchen insbesondere keiner Beeinträchtigung
oder Modifikation ihrer Eigenschaften unterliegen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, nachgiebige Erfassungselemente
bereitzustellen, die an schräge
bzw. gekrümmte
Träger
anpassbar sind.
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Eine
komplementäre
Aufgabe der Erfindung besteht darin, unabhängige Erfassungselektroden bereitzustellen,
die direkt mit passiven bzw. aktiven Messschaltungen verbindbar
sind.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Sensoren bereitzustellen,
die Herstellungstoleranzen in der Größenordnung von 0,25 aufweisen und
einen gegenseitigen Austausch zulassen ohne erneute Eichung bei
einer metrologischen Toleranz in der Größenordnung von 1%.
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Eine
komplementäre
Aufgabe der Erfindung besteht darin, kapazitive Sensoren zu schaffen,
die das ihnen innewohnende Leistungsvermögen beibehalten und eine sofortige
Entsättigung
zeigen nach einer Sättigungsphase
(100% Hr), die über
lange Zeit aufrecht erhalten bleibt.
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Schließlich besteht
eine Aufgabe der Erfindung darin, Feuchtigkeitssensoren bereitzustellen, deren
Leistungsvermögen
(Präzision,
Robustheit, Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit/Preis) in Bezug auf
die existierende Technik deutlich verbessert ist. Dies erlaubt Anwendungen
im Großserienmaßstab, wie
etwa in elektrischen Haushaltsgeräten, bei der Klimatisierung,
in Kraftfahrzeugen und der Industrie der mittleren Datentechnik
unter Beibehaltung metrologischer Leistungsfähigkeit und bei erhöhter Zuverlässigkeit.
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Die
Gesamtheit dieser Aufgaben sowie weitere Aufgaben, die aus Nachfolgendem
hervorgehen, werden mit Hilfe eines kapazi tiven Sensors zur Feuchtigkeitsmessung
nach Anspruch 1 erzielt.
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Wie
aus Vorstehendem unter Bezug auf den Stand der Technik hervorgeht,
müssen
die Elektroden, wenn sie aus Metall erstellt sind, zwei in Bezug aufeinander
nur schwer kompatible Kriterien erfüllen; einerseits müssen sie
einen möglichst
geringen Spannungsverlust (eine möglichst geringe Porosität) aufweisen,
um das das Dielektrikum (Polymer) bildende Material ins Gleichgewicht
mit dem umgebenden Gas zu bringen; andererseits müssen sie
elektrische Kontinuität
sicherstellen. Diese Ergebnisse werden nur dann erzielt, wenn ein
Metall mit beträchtlicher
Stärke
bzw. Dicke abgeschieden wird, um die elektrische Kontinuität sicherzustellen
und mit einer geringen Stärke
bzw. Dicke, um zu vermeiden, dass sich die Elektrode nicht wie ein
durchgehender Film bzw. eine durchgehende Dünnschicht verhält, der bzw.
die jeglichen Gasaustausch unterbindet, wodurch sich die Verwendung
des Kondensators als Feuchtigkeitssensor verbietet. Erfindungsgemäß wird dieser
Gegensatz aufgelöst,
indem eine der Elektroden aus einem nicht porösen Metallblech gebildet wird,
das mit dicker Schichtstärke
vorgesehen und leitend gemacht ist durch Einschluss von mehreren
elektrisch leitenden Partikeln. Der Begriff porös wird vorliegende im Sinne
einer nicht vollständigen Dichtigkeit
gegenüber
Wasserdampf verwendet.
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Die
Verwendung einer Elektrode in Form eines nicht porösen Metallblechs
bietet mehrere Vorteile. Zunächst
dient das Metallblech, bei dem es sich um ein massives Metall handelt,
direkt als Substrat für
die Abscheidung des Dielektrikums, während im Stand der Technik
das Metall beispielsweise auf einem Glassubstrat im Vakuum abgeschieden
wird, was Heterogenitäten
bezüglich
der Abscheidung mit sich bringt sowie be züglich deren Natur und deren Höhe. Wenn
das Metall abgeschieden wird, deckt es tatsächlich die Oberfläche des
Substrats weder gleichmäßig noch
insgesamt ab: Dadurch entstehen Orte metallischer Leerstellen und
andere mit Welligkeiten auf Grund einer zu großen Dicke bzw. Stärke der
Abscheidung. Sämtliche
dieser Nachteile entfallen bei der Erfindung durch Verwendung eines
perfekt laminierten Blechs mit Spiegelglanzaussehen und einem einheitlichen
und durchgehenden Material ohne jegliche Niveauverlagerung. Dieses
massive Blech stellt außerdem
eine Barriere derart dar, dass der Wasserdampf in dem Dielektrikum
und nicht in der Elektrode eingesperrt bleibt.
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Bevorzugt
wird das die poröse
Elektrode bildende Material ausgewählt aus Polymeren, wodurch erreicht
wird, dass keine Dichtigkeit vorliegt und mit relativ großer Dicke
bzw. Stärke
(bevorzugt in der Größenordnung
von 25 bis 100 μm).
Dieses Material wird durch Dotierung leitend gemacht, das heißt, durch
einen Einschluss von elektrisch leitfähigen Partikeln in der Masse,
beispielsweise von Metallpartikeln. Ein Widerstand von ungefähr 10 bis
50 Ohm ist beispielsweise ein geeigneter Widerstand. Ein identisches
Ergebnis kann erzielt werden, indem ein bestimmtes Kunststoffmaterial
gewählt
wird in einer Dicke bzw. Stärke
derart, dass dieses nicht vollständig dicht
ist, wobei das Material durch ein beliebiges geeignetes Mittel elektrisch
leitfähig
gemacht werden kann.
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Ein
weiteres vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäßen Sensoren besteht darin,
dass diese ein Dielektrikum umfassen, das durch einen Polymerfilm
gebildet ist, der in Form mehrerer ungleichmäßig starker bzw. dicker Schichten
vorgesehen ist; dieses Verfahren erlaubt es, die endgültige Stärke bzw.
Dicke und die Regularität
des Dielektrikums zu beherrschen, was günstige Konsequenzen auf die Präzision der
derart realisierten Kondensatoren hat. Diese Anordnung trägt zur Verwirklichung
von Kondensatoren bei, die eine konstante Empfindlichkeit bzw. ein
konstantes Ansprechvermögen
(Delta C auf C) aufweisen und damit gegenseitig problemlos austauschbar
sind. Es wird bemerkt, dass ein derartiger dielektrischer Polymerfilm
bewerkstelligt und verwendet werden kann mit beliebigen Elektrodenarten,
einschließlich
denjenigen, die im Stand der Technik durch metallische Abscheidung
verwirklicht sind.
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Ungeachtet
dieser Vorsichtsmaßnahmen
ist festzustellen, dass in Bezug auf den Kapazitätswert für einen gegebenen Feuchtigkeitsgrad
nicht stets optimale Präzision
erzielt wird. Abhängig
vom Herstellungsverfahren kann die Justierung des Kondensators sehr
einfach und sehr rasch verwirklicht werden: Es reicht tatsächlich aus,
die Nutzfläche
der porösen
Elektrode bis zur Erzielung des gesuchten Werts zu reduzieren. Dieser
Vorgang kann durch einfaches Abkratzen oder Erosion des Materials
erfolgen, das die poröse
Elektrode bildet.
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Es
wird bemerkt, dass gemäß dieser
Herstellungsart Sensoren mit besonders günstigen industriellen Herstellungskosten
gewonnen werden können. Abgesehen
von ihrer hohen Präzision
und Reproduzierbarkeit erweisen sich diese Kondensatoren als besonders
solide und beständig
gegenüber
starken und unterschiedlichen mechanischen und/oder thermischen
Beanspruchungen. Sie sind weitgehend nachgiebig, was es erlaubt,
sie auf anderen als ebenen Flächen
einzusetzen. Der Informationsabgriff erfolgt in sehr einfacher Weise,
bevorzugt durch direkten Kontakt auf der einen und der anderen der
beiden Elektroden. Dies erlaubt es, nachgiebige Kondensatoren bereitzustellen,
die dazu bestimmt sind, auf Schaltungen oder in existierenden Aufbauten
durch einfaches Festklemmen angeordnet zu werden. Es wird bemerkt,
dass diese Art des Informationsabgriffes mit den Kondensatoren gemäß dem Stand
der Technik nicht realisierbar ist, wobei die geringe Dicke bzw.
Stärke
und Zerbrechlichkeit der porösen
Metallelektrode jegliches Vorsehen einer Drahtverbindung auf der
Elektrode unmöglich
macht.
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Abgesehen
von Kondensatoren zur Verwendung als Feuchtigkeitssensoren betrifft
die vorliegende Erfindung das Verfahren zur Herstellung dieser Sensoren.
Dieses Verfahren sieht gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
die Übereinanderschichtung
von einem Metallblech ausgehend vom Basissubstrat, eines porösen dielektrischen
Polymerfilms und einer dotierten porösen Polymerschicht vor. Die Elementarkondensatoren
werden dann gewonnen durch Zuschneiden der vorstehend angesprochenen Stapel.
Der Kapazitätswert
kann dadurch eingestellt bzw. justiert werden, indem die Nutzfläche von
zumindest einer der Elektroden zugeschnitten wird. Der Informationsabgriff
kann durch einfache Kontakte auf den Außenseiten der Elektroden verwirklicht
werden, wobei die erfindungsgemäße Kondensatoren
nicht mit Verbindungskabeln versehen werden müssen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung erschließen sich aus dem Studium der
nachfolgenden bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform und einer Variante,
die lediglich beispielhaft in den anliegenden Zeichnungen gezeigt
sind: in diesen zeigen
- – eine 1 Schnittansicht eines erfindungsgemäßen kapazitiven
Sensors gemäß der bevorzugten
Ausführungsform,
und
- – eine 2 Schnittansicht eines kapazitiven Sensors
gemäß einer
Variante mit zwei porösen Elektroden
zeigt.
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Aus 1 geht hervor, dass die
erfindungsgemäßen Kondensatoren
durch Übereinanderschichten
eines Metallblechs, das als erste Elektrode 3a verwendet
wird, eines Polymerfilms 2 geringer Stärke (ungefähr 2 μm), wobei der Film bevorzugt durch Übereinanderschichten
von Filmen ungleicher Dicke verwirklicht wird, und einer zweiten
Elektrode 1 verwirklicht werden, die aus einem dotierten,
von Metall abweichenden Material (beispielsweise einem Polymer)
gebildet ist, wobei diese zweite Elektrode eine Dicke von ungefähr 100 μm und einen
wirksamen Widerstand in der Größenordnung
von 10 bis 50 Ohm aufweist. Die Kontakte 4 und 5 für den Informationsabgriff
sind jeweils direkt auf den Elektroden 1 und 3a gebildet.
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In
dem Herstellungsverfahren dient das Metallblech direkt als Basissubstrat
für die
Abscheidung des Dielektrikums 2 und der porösen Elektrode 1.
Im Maßstab
industrieller Serienfertigung wird diese Blech mit großen Abmessungen
gewählt,
und der derart verwirklichte Komplex wird auf die exakten Abmessungen
der Kondensatoren zugeschnitten.
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In
einer nicht zur Erfindung gehörenden,
in 2 gezeigten Ausführungsform
kann vorgesehen werden, Kondensatoren auszubilden, die beispielsweise
mit zwei porösen
Elektroden versehen sind, die durch einen mehrschichtigen dielektrischen
Polymerfilm getrennt sind, der durch Abscheidung von Schichten unterschiedlicher
Stärken
verwirklicht ist. Dadurch wird folgende Schichtung bzw. Stapelanordnung
verwirklicht:
- – Eine Polymerschicht, die
durch Dotierung elektrisch leitend gemacht ist,
- – ein
mehrschichtiger Polymerfilm,
- – eine
Polymerschicht, die durch Dotierung elektrisch leitend gemacht ist.
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Der
Informationsabgriff erfolgt über
direkte Kontakte auf den beiden porösen Elektroden dieser Kondensatoren,
die besonders leistungsfähige Feuchtigkeitssensoren
bilden; insbesondere stehen sie in praktisch vollständiger Osmose
mit dem Medium bei zusätzlich
verbesserter Empfindlichkeit und mit besonders kurzen Reaktionszeiten.
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Es
wird bemerkt, dass die vorstehende Erläuterung lediglich beispielhaft
erfolgt ist, und dass andere Ausführungsformen für die Kondensatoren, insbesondere
mit unterschiedlichen Abmessungen gewählt werden können, ohne
vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.