DE2824609C2 - Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung durch elektrostatische Kapazitätsänderung - Google Patents
Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung durch elektrostatische KapazitätsänderungInfo
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Description
Cn
gegebene elektrostatische Kapazitätsänderung zwischen der ersten Elektrode (10) und der zweiten Elektrode (14) auf über dem Wert 0,01 liegende Beträge festgelegt ist wobei Qs der Kapazitätswert bei einer
relativen Feuchtigkeit von 98% und Cn der Kapazitätswert bei einer relativen Feuchtigkeit von 31 % sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet da3 der durch die Beziehung
Cn - Cn
C9,
gegebene Betrag der Kapazitätsänderung größer als 0,1 ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die halbleitende Metalloxidschicht (16) ein aus der Gruppe Mangandioxid, Bleioxid, Nickeloxid und Rutheniumoxid gewähltes
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Metalloxidschicht (16) durch thermische Zersetzung einer auf die dielektrische Oxidschicht (12) aufgebrachten
Metallsalzlösung gebildet ist
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (18) aus
Kolloid-Kohlenstoff, einer Dispersion feiner Silberpartikel in einem Kunstharz, plasma-aufgesprühtem Metall und/oder aus im Vakuum aufgedampftem Metall besteht.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung durch elektrostatische Kapazitätsänderung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Allgemein wird elektrischen Verfahren zur Feuchtigkeitsmessung der Vorzug gegeben, da hierbei im Vergleich zu mechanischen Dehnungsmeßverfahren od. dgl. eine höhere Meßgenauigkeit erzielbar ist. Elektrische
Feuchtigkeitsmeßvorrichtungen, die auf der veränderlichen lonenleitfähigkeit hygroskopischer Substanzen
od. dgl. basieren, sind jedoch lediglich in einem relativ geringen Meßbereich einsetzbar und weisen darüber
hinaus nur eine begrenzte Ansprechempfindlichkeit auf. Zwar lassen sich Feuchtigkeitsmessungen durch Ermittlung der «-Strahlenabsorption mit hoher Genauigkeit durchführen, jedoch sind derartige Messungen in der
Regel zu aufwendig.
Weiterhin ist aus der Zeitschrift »The Review of Scientific Instruments«, Band 34, Nr. 6, Juni 1963, Seiten 632
bis 635 eine Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung der eingangs genannten Art bekannt, die als Aluminiumoxid-Feuchtigkeitsmeßfühler für Wettermessungen mittels Radiosonden ausgebildet ist, bei dem eine durch Eloxierung der Oberfläche einer Aluminiumplatte gebildete Aluminiumoxid-Dünnschicht mit einer porösen und somit
gasdurchlässigen metallischen Elektrodenschicht überzogen ist. Dieser Meßfühler zeigt Impedanzänderungen in
Abhängigkeit von einer Adsorption oder Desorption von Feuchtigkeit in der Aluminiumoxid-Dünnschicht, die
als feuchtigkeitsempfindliche dielektrische Oxidschicht wirkt, wobei die Innenfläche der metallischen Elektrodenschicht und die Außenfläche der Aluminiumoxid-Dünnschicht über die gesamte Fläche der Elektrodenschicht miteinander in enger Berührung stehen.
aus einer Siliziumplatte, einer darauf aufgebrachten Zinndioxidschicht und einer auf dieser angeordneten metallischen Elektrodenschicht besteht, wobei zwischen der Siliziumplatte und der Zinndioxidschicht auch noch eine
Siliziumdioxidschicht angeordnet sein kann. Die Zinndioxidschicht dient hierbei jedoch zur Bildung einer Sperrschicht mit Gleichrichtcreigenschaftcn, wobei die Adsorption und Desorption von Feuchtigkeit an ihrer Außen-
seite erfolgt und Intensitätsänderungen des Avalanche-Stroms in der Siliziumplatte bewirkt. Der Grenzbereich
/.wischen Zinndioxidschicht und Siliziumplatte hat somit keinerlei Auswirkungen auf die Feuchtigkeitsmessung.
Diese letzteren Feuchtigkeitsmeßfühler weisen jedoch beide den Nachteil einer relativ geringen Spannungsfestigkeit sowie einer über längere Zeiträume wenig stabilen Char?kteristik auf, was im wesentlichen auf der
jeweiligen Art der Feuchtigkeitsadsorption beruht
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung der eingangs
genannten Art derart auszugestalten, daß bei hoher Spannungsfestigkeit auch langfristig stabile Kennwerte und
Meßeigenschaften gewährleistet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung ist somit eine auf die Oberfläche eines
Substrats aufgebrachte dielektrische Oxidschicht makroskopisch mit einer Mikroporen aufweisenden halbleitenden Metalloxidschicht beschichtet wobei die tatsächliche Berührung zwischen den beiden Schichten lediglich
in bestimmten Bereichen erfolgt und die Oberfläche der dielektrischen Oxidschicht in anderen Bereichen nicht
von der halbleitenden Metalloxidschicht bedeckt wird. Hierdurch bildet sich eine Vielzahl mikroskopisch kleiner
Zwischenräume zwischen diesen beiden Schichten, wobei feuchtigkeitsbedingte Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von dem Ausmaß auftreten, in welchem die über die Mikroporen der halbleitenden Metalloxidschicht
adsorbierte Feuchtigkeit auf die freiliegenden Oberflächenbereiche der dielektrischen Oxidschicht gelangt Die
Feuchtigkeitsmeßeigenschaften beruhen somit nicht mehr allein auf der Struktur der dielektrischen Oxidschicht
sondern hängen wesentlich von dem speziellen Aufbau der gasdurchlässigen halbleitenden Metalloxidschicht
und der damit verbundenen unvollständigen Berührung dieser beiden Schichten ab. Durch die derart ausgebildete halbleitende Metalloxidschicht lassen sich im Vergleich zu einer nur von der Feuchtigkeitsadsorption in einer
dielektrischen Oxidschicht abhängigen Feuchtigkeitsmessung eine wesentlich höhere Spannungsfestigkeit und
erheblich konstantere Meßeigenschaften über längere Zeiträume in Verbindung mit einer hohen Lebensdauer
erzielen, so daß die Feuchtigkeits-Kapazitäts-Charakteristik der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung äußerst
geringe Schwankungen bzw. Abweichungen aufweist und langfristig konstant gehalten werden kann. 2s
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben.
Es zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Austehrungsbeispiels der Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung,
F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Meßprinzips der Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung gemäß Fig. 1,
F i g. 5 bis 9 verschiedene Kennlinien des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung
gemäß F ig. 1,
Fig. 10 ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Vergleichs des Ansprechverhaltens der Vorrichtung zur
Feuchtigkeitsmessung gemäß F i g. 1 mit zwei verschiedenen Feuchtigkeitsmeßvorrichtungen üblicher Art,
F i g. 1IA bis 11E Seitenansichten von fünf unterschiedlich ausgestalteten metallischen Substraten, die bei der
Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung gemäß F i g. 1 Verwendung finden,
Fig. 12 und 13 Kennlinien von Vorrichtungen zur Feuchtigkeitsmessung, die die Substrate gemäß den
F i g. 11A bis 11E aufweisen,
Fig. 14 und 15 Schnittansichten von zwei unterschiedlich aufgebauten weiteren Ausführungsbeispielen der
Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung,
Fig. 17 bis 19 Blockschaltbilder von drei Ausführungsbeispielen für elektrische Schaltungen zur Ableitung
eines elektrischen Signals aus der Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen den Grundaufbau eines Feuchtigkeitsfühlelements als Ausführungsbeispiel der
Feuchtigkeitsmeßvorrichtung. Mit 10 ist ein Substrat bezeichnet das auch als erste Elektrode dient. Als Material so
für das Substrat 10 finden Metalle, Tantal, Aluminium, Titan, Zirkon und Hafnium, sowie Silizium und Germanium einschließlich deren Legierungen Verwendung, jedoch wird meist ein Ventilmetall wie Tantal, Aluminium
oder Titan bevorzugt. Ein Oberflächenbereich des Substrats 10 ist mittels eines bekannten Eloxierverfahrens
oxidiert und ergibt eine dünne dielektrische Oxidschicht 12 aus beispielsweise Tantaloxid. Eine zweite Elektrode
14 hat einen doppelschichtigen Aufbau und weist eine innere Schicht 16 aus einem halbleitenden Metalloxid wie
beispielsweise Mangandioxid, die auf der Oberfläche der dielektrischen Oxidschicht 12 ausgebildet ist, und eine
äußere Schicht 18 aus einem leitenden Material wie Kohlenstoff oder Metall auf, die die Außenseite der
halbleitenden Metalloxidschicht 16 gänzlich oder teilweise bedeckt und als Gegenelektrode zu der von dem
Substrat 10 gebildeten Elektrode dient.
Scheinbar steht die halbleitende Metalloxidschicht 16 über ihre Gesamtfläche in direkter Berührung mit der
dielektrischen Oxidschicht 12. Ein wirklicher Kontakt zwischen der dielektrischen Oxidschicht 12 und der
halbierenden Metalloxidschicht 16 besteht jedoch nur in Bereichen 12«, die über die scheinbare Grenzfläche
zwischen der dielektrischen Oxidschicht 12 und der halbleitenden Mctalloxidschicht 16 verteilt sind. Somit bleibt
die Außenfläche der dielektrischen Oxidschicht 12 in Bereichen 126 unbedeckt, die gleichfalls über die genannte
Grenzfläche verteilt sind. Als Folge bilden sich zwischen der Außenfläche der dielektrischen Oxidschicht 12 und
der Innenfläche der halbleitenden Metalloxidschicht 16 eine Vielzahl mikroskopisch kleiner Zwischenräume 20.
Sowohl die halbleitende Metalloxidschicht 16 als auch die leitende Schicht 18 sind mikroskopisch porös und
damit gasdurchlässig gestaltet, so daß Feuchtigkeit durch diese Schichten hindurch gelangen kann.
Die Vorrichtung nach F i g. 1 arbeitet als Feuchtigkcitsfühlelement nach folgendem Prinzip:
Wenn sich die Vorrichtung in einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre befindet, hat sie eine konstante elektrostatische Kapazität, die durch die Art und Form der dielektrischen Oxidschicht 12 und die Gesamtfläche der
bedeckten Bereiche 12a bestimmt ist, da keine Adsorption von Feuchtigkeit über die halbleitende Metalloxid
schicht 16 erfolgt. Unter diesen Bedingungen dient die halbleitende Metalloxidschicht 16 einfach als Elektroden
zwischenschicht zur Abnahme der Kapazität.
Wenn die gleiche Vorrichtung in einer feuchten Atmosphäre angeordnet ist, wird Feuchtigkeit von der
halbleitenden Metalloxidschicht 16 adsorbiert, welche porös und daher hygroskopisch ist, und erreicht die
bedeckten Bereiche 12a der Oberfläche der dielektrischen Oxidschicht 12. Danach dringt die adsorbierte
Feuchtigkeit in die Zwischenräume 20 ein und verbreitet sich über die unbedeckten Bereiche 12b. Da die Menge
der adsorbierten Feuchtigkeit proportional zur relativen Feuchtigkeit in der Atmosphäre ist, ist das Ausmaß der
Feuchtigkeitsbedeckung der Oberfläche der dielektrischen Oxidschicht 12 proportional zur relativen Feuchtigkeit Die adsorbierte Feuchtigkeit ist nicht reines Wasser, sondern enthält unterschiedliche Ionen, die Bestandteilen der Atmosphäre entstammen, und ferner zusätzlich Metallionen wie Manganionen, die von der halbleitenden
Metalloxidschicht 16 geliefert werden, so daß die adsorbierte Feuchtigkeit eine Art Elektrolyt darstellt. Unter
diesen Bedingungen hat ein befeuchteter Teil der unbedeckten Bereiche 126 der Oberfläche der dielektrischen
Oxidschicht 12 auch einen Anteil an der Erfassung der elektrostatischen Kapazität der elektrischen Oxidschicht
12. Eine Änderung der relativen Feuchtigkeit der Atmosphäre kann somit in eine Änderung der elektrostatischen Kapazität der Vorrichtung nach F i g. 1 umgesetzt werden.
Nachstehend wird auf den Zusammenhang zwischen der Umgebungsfeuchtigkeit und der elektrostatischen
Kapazität des Fühlelements näher eingegangen.
Eine zwischen der von dem Substrat 10 gebildeten ersten Elektrode und der von der leitenden Schicht 18
gebildeten Gegenelektrode erfaßbare elektrostatische Kapazität Chängt von folgenden Variablen ab:
der dielektrischen Oxidschicht 12 in Berührung steht,
B: Gesamtfläche der unbedeckten Bereiche 12i>. in denen die halbleitende Metalloxidschicht 16 nicht mit der
dielektrischen Oxidschicht 12 in Berührung steht,
ε: Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Oxidschicht 12,
t: Dicke der dielektrischen Oxidschicht 12,
λ: Ausmaß der Feuchtigkeitsbedeckung in den unbedeckten Bereichen 126,
H: relative Feuchtigkeit der die Vorrichtung umgebenden Atmosphäre.
C - — (A + aB)
U)
Da das Ausmaß oc der Feuchtigkeitsabdeckung eine proportionale Abhängigkeit von der relativen Feuchtigkeit Haufweist,d. h.x~ Wist, kann die Gleichung (1) folgendermaßen ausgedrückt werden:
C- -(A+H-B)
(2)
dem Bereich relativer Feuchtigkeit von 0 bis 100%, wie es qualitativ in F i g. 3 zeigt ist
richtung werden somit wesentlich vom Berührungsflächenfaktor, d. h. dem Verhältnis A/(A + B) beeinflußt.
Gemäß vorstehender Definition ist A die Gesamtfläche der Bereiche 12a, in denen eine tatsächliche Berührung
zwischen der dielektrischen Oxidschicht 12 und der halbleitenden Metalloxidschicht 16 besteht, während B die
Gesamtfläche der Bereiche 126 ist in denen die halbleitende Metalloxidschicht 16 die elektrische Oxidschicht 12
nicht tatsächlich berührt Das heißt (A + ßj stellt eine scheinbare Berührungsfläche zwischen der dielektrischen
Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung. Das Substrat 10 und die
dielektrische Oxidschicht 12 dieser Vorrichtung entsprechen denjenigen der Vorrichtung nach F i g. 1. Bei dieser
Vorrichtung ist direkt auf der dielektrischen Oxidschicht 12 eine poröse (d. h. gasdurchlässige) und elektrisch
leitende Schicht 24 ausgebildet die als zweite Elektrode bzw. Gegenelektrode dient Der Aufbau der Vorrich
tung nach F i g. 4 kann daher so angesehen werden, als ob bei der Vorrichtung nach F i g. 1 die halbleitende
Metalloxidschicht 16 fehlt
Scheinbar steht die Elektrodenschicht 24 über ihre Gesamtfläche in Berührung mit der dielektrischen Oxidschicht 12, jedoch besteht wirklicher Kontakt zwischen der dielektrischen Oxidschicht 12 und der Schicht 24 (im
gleichen Sinne wie bei den F i g. 1 und 2) nur in Bereichen 12a. Demgemäß bleibt die Außenfläche der dielektri-
b5 sehen Oxidschicht 12 (im gleichen Sinne wie bei den F i g. 1 und 2) in Bereichen 126 unbedeckt so daß /wischen
der Außenfläche der dielektrischen Oxidschicht 12 und der innenfläche der Elcktrodcnschichl 24 eine Vielzahl
mikroskopisch kleiner Zwischenräume 20 gebildet ist Aufgrund dieses Aufbaues arbeitet die Vorrichtung nach
F i g. 4 gemäß dem unter Bezugnahme auf die Vorrichtung nach F i g. 1 beschriebenen Prinzip, obgleich bei der
Vorrichtung nach F i g. 4 die Adsorption und Desorption der Feuchtigkeit nur über die leitende Elektrodenschicht 24 erfolgt.
Gegenüber der Vorrichtung nach F i g. 1 weist das Feuchtigkeitsfühlelement nach F i g. 4 zwar eine geringere
Empfindlichkeit auf, kann aber unter geringeren Kosten hergestellt werden und ist dort brauchbar, wo keine
sehr hohe Empfindlichkeit erforderlich ist.
Nachstehend werden die Kennlinien eines Feuchtigkeitsfühlelements aufgrund der Auswirkung des Berührungsflächenverhältnisses unter Bezugnahme auf die F i g. 5 bis 9 erläutert. Die graphischen Darstellungen in
den Fig.5 bis 9 stellen Versuchsergebnisse an einem Feuchtigkeitsfühlelement gemäß Fig. 1 dar, das unter
Verwendung eines Tantalstabs als Substrat 10 und durch Pyrolyse einer Mangannitratlösung gebildeten Mangandioxids als halbleitende Metalloxidschicht 16 an der zweiten Elektrode 14 hergestellt wurde.
F i g. 5 zeigt die Auswirkung des Berührungsflächenverhältnisses A/(A + B) der tatsächlichen Berührungsfläche zu der scheinbaren Berührungsfläche auf die Beziehung zwischen der relativen Feuchtigkeit und der
elektrostatischen Kapazität des Feuchtigkeitsfühlelelements. Wie deutlich ersichtlich ist, ist die durch die Feuchtigkeits-Adsorption und -Desorption des Fühlelements verursachte Änderung der elektrostatischen Kapazität
um so gröber, je kleiner das Berührungsflächenverhältnis ist. Ferner ist ersichtlich, daß die elektrostatische
Kapazität des Fühlelements bei 0% relativer Feuchtigkeit kleiner wird, wenn das Berührungsflächenverhältnis
verkleinert wird. Das durch (Cioo- Co)IQs ausgedrückte Ausmaß der Änderung der elektrostatischen Kapazität,
bei dem Cioo und Q die Kapazitätswerte bei 100% bzw. 0% relativer Feuchtigkeit darstellen, wird somit um so
größer, je kleiner das Berührungsflächenverhältnis wird. Fig.6 zeigt deutlich das Bestehen eines derartigen
Zusammenhangs zwischen dem Berührungsflächenverhältnis A/(A + B) und dem Ausmaß der Kapazitätsänderung (Cioo-Q)/Cb. Bei der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung ermöglicht somit ein großer Wert von (Goo-Cb)/Co
eine hohe Meßgenauigkeit. Wenn das Ausmaß der Kapazitätsänderung sehr klein ist, ist die Vorrichtung
aufgrund ihrer unzureichenden Meßgenauigkeit von geringem Nutzen.
Fig.7 zeigt das Ergebnis eines Versuchs, der zur Überprüfung des kapazitiven Ansprechverhaltens des
Feuchtigkeitsfühlelements auf eine Änderung der relativen Feuchtigkeit unter Veränderung des Berührungsflächenverhältnisses A(/A + B) durchgeführt wurde. Bei diesem Versuch wurde die Vorrichtung schnell aus einer
Umgebung mit 30% relativer Feuchtigkeit in eine Umgebung mit 90% relativer Feuchtigkeit versetzt, worauf
eine Messung seiner Kapazität erfolgte. Wie ersichtlich ist, besteht trotz einer beträchtlichen Maßstabvergrößerung der Kapazitätsänderung bei einer Verminderung des Berührungsflächenverhältnisses die Tendenz, daß die
Zeitverzögerung zwischen der Änderung der relativen Umgebungsfeuchtigkeit und dem Erreichen eines der
relativen Feuchtigkeit 90% entsprechenden Kapazitätswertes mit abnehmendem Berührungsflächenverhältnis
kleiner wird. Aus den in den F i g. 5 bis 7 gezeigten Versuchsergebnissen läßt sich somit schließen, daß die
Empfindlichkeit eines Feuchtigkeitsfühlers beträchtlich verbessert werden kann, wenn ein kleines Berührungsflächenverhältnis A/(B + B) verwendet wird.
F i g. 8 zeigt die Hystereseänderung der Feuchtigkeits-Kapazitäts-Kennlinie des Feuchtigkeitsfühlelelements,
die bei abwechselnder Adsorption und Desorption von Feuchtigkeit in Erscheinung tritt und bei verändertem
Berührungsflächenverhältnis A/(A + B) beobachtet wurde. Offensichtlich wird das Ausmaß an Hysterese größer, wenn das Berührungsflächenverhältnis kleiner wird. In dieser Hinsicht ist daher bei dem Feuchtigkeitsfühlelement eine übermäßige Verringerung des Berührungsflächenverhältnisses ungünstig. Der Grund für eine
derartige Einwirkung des Berührungsflächenverhältnisses auf die Hysterese läßt sich folgendermaßen erklären:
Die Feuchtigkeit gelangt zu den unbedeckten Bereichen i2b der dielektrischen Oxidschicht 12 immer über die
bedeckten Bereiche 12a, in welchen eine Berührung zwischen der dielektrischen Oxidschicht 12 und der halbleitenden Metalloxidschicht 16 besteht, wobei die Feuchtigkeit auch die unbedeckten Bereiche 12b wieder über die
bedeckten Bereiche 12a verläßt. Die bedeckten Bereiche 12a dienen daher als Zwischenstationen für die
Wanderung der Umgebungsfeuchtigkeit zu den unbedeckten Bereichen 126 der dielektrischen Oxidschicht 12
und umgekehrt Dementsprechend bildet eine Verminderung der Gesamtfläche der bedeckten Bereiche 12a in
bezug auf die Gesamtfläche der unbedeckten Bereiche 120 ein Hindernis für eine freie bzw. gleichförmige
Wanderung der Feuchtigkeit, was zu einer Vergrößerung der Hysterese in der Reaktion zwischen der relativen
Feuchtigkeit und der Kapazität des Fühlelements führt
F i g. 9 zeigt die vorstehend beschriebene Abhängigkeit der Hysterese in einer weiteren graphischen Darstellung. Wie aus F i g. 8 ersichtlich ist, die Kapazität der Vorrichtung bei einer bestimmten relativen Feuchtigkeit
während einer Feuchtigkeitsdesorption größer als die Kapazität bei der gleichen relativen Feuchtigkeit während
einer Feuchtigkeitsadsorption. Die graphische Darstellung in F i g. 9 zeigt den Zusammenhang zwischen dem
Berührungsflächenverhältnis A/(A + B) und dem Absolutwert des Unterschieds zwischen einem bei 50% relativer Feuchtigkeit während der Feuchtigkeitsdesorption gemessenen Kapazitätswert und einem weiteren bei
50% relativer Feuchtigkeit während der Feuchtigadsorption gemessenen Kapazitätswert.
Aus den vorstehend beschriebenen Versuchsergebnissen ist zu schließen, daß hinsichtlich der Brauchbarkeit
eines Feuchtigkeitsfühlelements der Ausführung gemäß Fig. 1 weder ein übermäßig großer Wert noch ein
übermäßig kleiner Wert des Berührungsflächenverhältnisses A/(A + B) anzustreben ist
Die Änderung der elektrostatischen Kapazität in Abhängigkeit von einer Änderung der relativen Feuchtigkeit
wird geringer, wenn die Gesamtfläche A der bedeckten Bereiche 12a größer wird, so daß die Vorrichtung eine
durch (Cioo-Cb)/Cb ausgedrückte sehr geringe Empfindlichkeit erhält wenn das Berührungsflächenverhältnis
A/(A + B) bei 1,0 liegt Wie aus Fig.6 ersichtlich ist nimmt der Wert (Cioo-Cb)/Cb außerordentlich geringe
Werte an, wenn A/(A + B) größer als 038 ist so daß die Vorrichtung dann nicht mehr als praktisch verwendbares Feuchtigkeitsfühlelement angesehen werden kann.
Die Empfindlichkeit (Ci 00—Cb)/Co wird verbessert wenn das Berührungsflächen verhältnis A/(A + B) verkleinert wird, jedoch tritt zugleich eine Vergrößerung der Hysterese in der Relation zwischen der relativen
Feuchtigkeit und der elektrostatischen Kapazität auf.
f(ii keitsfühlelements nach F i g. 1 unzweckmäßig, wenn das Berührungsflächenverhältnis A/(A + Blunter 0,2 liegt.
:f. Betrachtet man die Genauigkeit, das Ansprechvermögen und die Hysterese der Fcuchtigkeits-Kapazitäts-
|i Kennlinie gemeinsam, dann ist das Berührungsflächenverhältnis AZ(A. + B) für die dielektrische Oxidschicht 12
I 5 und die halbleitende Metalloxidschicht 16 im Bereich von 0,2 bis 0,98 zu wählen, d.h., 0,2<A/(A + B)<0,9&
ff
einzuhalten. Am günstigsten wird das Bcrührungsflächcnvcrhälinis A/(A + B) so gewählt, daß es in den Bereich
II Die Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung kann unter Anwendung herkömmlicher Materialien und Verfahj$ ren hergestellt werden.
■$l ίο Als Material für das Substrat 10 sind sog. Ventilmetallc wie Tantal, Aluminium, Titan, Zirkon und Hafnium
[| einschließlich ihrer Legierungen gut geeignet, da durch Eloxieren dieser Metalle die dielektrische Oxidschicht 12
''}.
mit guten Eigenschaften ausgebildet werden kann. Wie vorstehend ausgeführt, üind auch Silicium und Germani-
•V: um brauchbar.
gt' Das Substrat 10 kann praktisch jede beliebige Form annehmen und die vorstehend genannten Metalle können
. '5 in Fern*! einer Stände einer Plstte eines Blatts einer Folie oder einer gesinterten Masse verwendet werden. Als
[I weitere Alternative kann das Substrat 10 als Dünnschicht ausgestaltet sein, die durch Vakuumablagerung,
i| Aufspritzen oder Plasma-Aufsprühen auf einen Metallträger oder Keramikträger aufgebracht ist. Vor der
ί Ausbildung der dielektrischen Oxidschicht 12 durch Oxidation eines Oberflächenbereichs des Substrats 10 kann
iß
dieses einer Oberflächenaufrauhung wie einer Sandstrahlung oder einem chemischen Ätzen unterzogen werden,
}£
20 um seine wirksame Oberfläche zu vergrößern und damit ein Fühlelement mit höherer Empfindlichkeit zu
H erzielen.
&
Vorzugsweise gewählte Beispiele für halbleitende Metalloxide als Material für die Metalloxidschicht 16 sind
φ
Mangandioxid, Bleioxid, Nickeloxid und Rutheniumoxid, die alle die Fähigkeit haben, Sauerstoff abzugeben, d. h.
«§ Oxidationsfähigkeit aufweisen. Es ist hierbei möglich, zwei oder mehrere dieser Metalloxide als Gemisch zu
'! 25 verwenden. Die halbleitende Metalloxidschicht 16, die gasdurchlässig sein muß, kann entweder durch Pyrolyse
%
einer auf die dielektrische Oxidschicht 12 aufgebrachten Mctallsalzlösung oder durch galvanische Abscheidung
'IfIi ausgebildet werden. Üblicherweise wird die halbleitende Metalloxidschicht 16 in einer Stärke von Zchnereinhei-
* Die leitende Gegenelektrodsn-Schicht 18 (bzw. 24 in F i g. 4) kann unter Verwendung von Kolloidkohlenstoff
i§!
30 und/oder Silberanstrichmitteln gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann Plasma-Aufsprühen oder Vaku-
'Js Se'n·
•;| Die beschriebene Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung hat vielerlei Vorteile, die nachstehend zusammengefaßt sind:
1. Gutes Ansprechverhalten
Das Ansprechverhalten der Vorrichtung nach Fig. 1 ist durch die Feuchtigkeits-Absorptions-Desorptions-Wirkung der halbleitenden Metalloxidschicht 16 bestimmt. Die Stärke der Metalloxidschicht 16 beträgt nur
40 Zehnereinheiten bis Hundertereinheiten von μπι, so daß sowohl die Adsorption als auch Desorption der
Feuchtigkeit über diese Schicht sehr schnell vor sich geht. Beim Auftreten einer Änderung der relativen
Feuchtigkeit beginnt sich die Kapazität der Vorrichtung innerhalb weniger Sekunden zu ändern, und die Zeit, die
zum vollen Ansprechen auf die Änderung der Feuchtigkeit notwendig ist, beträgt selbst dann nur wenige
Minuten, wenn die Änderung der Feuchtigkeit plötzlich und groß ist.
45 Fig. 10 veranschaulicht einen Vergleich eines auf dieser Vorrichtung basierenden Feuchtigkeitsfühlers mit
zwei Arten herkömmlicher Feuchtigkeitsfühler im Hinblick auf ihr Ansprechvermögen. Die Kurven A, ßbzw. C
entsprechen einem erfindungsgemäßen Fühler, einem herkömmlichen Fühler, bei dem der Widerstand eines
Siliciumhalbleiters gemessen wird, bzw. einem weiteren Fühler, bei dem die Dehnung eines menschlichen Haars
gemessen wird. Jede dieser Kurven zeigt den Verlauf einer Anzeigeänderung des jeweiligen Fühlers, die durch
so eine plötzliche Änderung der Umgebungsfeuchtigkeit von 30 auf 90% hervorgerufen wird. Aus diesem Vergleich ist ein bemerkenswert schnelles Ansprechen der erfindüngsgemäßen Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung ersichtlich.
Das Ansprechen der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung hängt auch von der Form und dem physikalischen Zustand
des Substrats 10 ab, worauf in Verbindung mit dem nachstehend angeführten Beispiel 1 eingegangen wird.
2. Hohe Genauigkeit
Da ein mittels der erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsmeßvorrichtung erzeugtes Kapazitätssignal auf die mikroskopische Adsorption und Desorption von Feuchtigkeit an der Oberfläche der dielektrischen Oxidschicht
iBO zurückzuführen ist, übertrifft die Vorrichtung herkömmliche Feuchtigkeitsfühlelemente beispielsweise der Widerstands-Ausführung oder der Dehnungs-Ausführung auch an Genauigkeit.
3. Hohe Empfindlichkeit
65 Wie vorstehend beschrieben, zeigt die Vorrichtung in Abhängigkeit von Änderungen der relativen Feuchtigkeit große Kapazitätsänderungen, sofern das Berührungsfliichenverhältnis innerhalb des vorgeschriebenen
Bereichs liegt Dementsprechend kann ein sehr empfindlicher Feuchtigkeitsfühlcr erhalten werden.
4. Goringe Hysterese
Aufgrund der mikroskopischen und schnell vor sich gehenden Adsorption und Desorption von Feuchtigkeit
zeigt die Vorrichtung eine geringe I lysterese, sofern das Bcrühriingsflächenverhälinis A/(A + B) über 0,2 liegt,
so daß praktisch immer ein linearer Zusammenhang /wischen der relativen Feuchtigkeit und der elektrostati- ■>
sehen Kapazität der Vorrichtung besieht.
5. Gute Langzeitstabilität
Die dielektrische Oxidschicht 12, z. B. eine durch Eloxieren gebildete Tantaloxidschicht, ist gegenüber thermisehen,
chemischen und elektrischen Belastungen ziemlich beständig und zeigt kaum Änderungen ihrer Dielektrizitätskonstanten
im Verlauf der Zeit. Die halbleitende Metalloxidschicht 16, z. B. eine Mangandioxidschicht, ist
gleichfalls ziemlich beständig. Im übrigen verarbeitet die Vorrichtung wiederholte Änderungen der Oberflächenfeuchtigkeit.
Dementsprechend ist im Laufe der Zeit nur eine geringe Kennlinienänderung erkennbar.
6. Betriebsfähigkeit bei hoher Temperatur
Herkömmliche Feuchtigkeitsfühlelemente sind gegenüber hohen Temperaturen empfindlich, so daß insbesondere diejenigen, bei welchen ein zerfallendes Salz, ein organisches Polymer oder ein menschliches Haar verwendet
wird, nicht bei Temperaturen über ungefähr 500C verwendet werden können. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung besieht dagegen aus thermisch beständigen anorganischen Materialien und kann daher bis zu
ungefähr 25O0C verwendet werden, wobei darüberhinaus auch eine hervorragende Kälte-Widerstandsfähigkeit
bis zu ungefähr - 50c C gegeben ist.
7. Hohe chemische Widerstandsfähigkeit
Die wesentlichsten Materialien der Vorrichtung sind chemisch beständig und gegenüber den meisten gasförmigen
Substanzen widerstandsfähig, von denen anzunehmen ist, daß sie in maßgeblicher Menge in die Atmosphäre
abgegeben werden. Die Vorrichtung übertrifft daher die herkömmlichen Feuchtigkeitsfühler auch in
dieser Hinsicht und kann selbst in einer korrodierenden Atmosphäre wie beispielsweise in einer Kocheinrichtung
verwendet werden.
8. Preisgünstige und teure Ausführung
Bei der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung wird Material mit einer großen Dielektrizitätskonstanten verwendet.
Beispielsweise beträgt die Dielektrizitätskonstante e für Tantaloxid ungefähr 28, für Aluminiumoxid ungefähr 10
und für Titandioxid ungefähr 110. Die Vorrichtung zeigt daher bereits bei verhältnismäßig geringen Änderungen
der Feuchtigkeit große Änderungen ihrer Kapazität. Dementsprechend ist ein sehr kleines Fühlelement ausreichend, so daß die Herstellungskosten dieses Fühlelements sehr gering sind. Weiterhin ist ein solcher Feuchtigkeitsfühler
im Vergleich zu herkömmlichen Feuchtigkeitsfühlern einfach zu handhaben und preiswert zu warten.
Ein zusätzlicher Vorteil der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung ist dadurch gegeben, daß sie keinem Feuchtigkeits-Desorptions-Prozeß
wie einer Erwärmung unterzogen werden muß, während einige Arten herkömmlicher Feuchtigkeitsfühlelemente, die auf der Basis von elektrischen Widerstandsänderungen arbeiten, mit einer Austrocknu-^s-
oder Regenerierungs-Vorrichtung wie einem Heizer zum Entfernen der adsorbierten Feuchtigkeit
ausgestattet werden müssen, so daß der Feuchtigkeitsfühler, bei dem ein derartiges Fühlelement verwendet
wird, einen komplizierten Aufbau erhält. Die erfindungsgemäße Feuchtigkeitsmeßvorrichtung benötigt dagegen
keine zusätzliche Vorrichtung zur Austrocknung, da die halbleitende Metalloxidschicht 16 von sich aus die
Fähigkeit hat, die Feuchtigkeit schnell und gleichmäßig sowohl zu adsorbieren als auch zu desorbieren.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Merkmale und Vorteile ist die erfindungsgemäße Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
in einem breiten Anwendungsgebiet einschließlich neuen Anwendungsgebieten für Feuchtigkeitsfühler
verwendbar. Beispielsweise können solche Feuchtigkeitsfühler in Kochvorrichtur.gen wie öfen sowie in
tragbare elektronische Vorrichtungen wie Uhren oder tragbare Radios eingebaut werden.
Die Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung wird nachstehend durch Beispiele weiter erläutert
Bei diesem Beispiel wurden Feuchtigkeitsfühlelemente der Ausführung gemäß F i g. 1 unter Verwendung von
fünf Arten von metallischen Substraten gemäß den F i g. 11A bis 11E hergestellt "
Bei einem Fühlelement Nr. 1 wurde für ein Substrat 31 ein Tantaldraht mit 1 mm Durchmesser verwendet, der
gemäß Fig. HA die Form eines Hakens hatte. Die (der Eloxierung unterzogene) wirksame Länge dieses
Substrats 31 betrug 10 mm.
Bei einem Fühlelement Nr. 2 wurde ein Substrat 32 gemäß F i g. 1IB durch Behandeln des Substrats 31 nach
F i g. 11A mit einer Ätzlösung zur Bildung einer vergrößerten Oberfläche erhalten.
Bei einem Fühlelement Nr. 3 wurde ein Substrat 33 hergestellt, indem durch Plasma-Aufspritzen eines hochreinen
Tantalpulvers auf die Oberfläche eines Tantaldrahts 33a mit 0,4 mm Durchmesser eine 200 μπι dicke
Tantalschicht 33Z> als Beschichtung auf dem Draht 33a über eine Länge von 10 mni ausgebildet wurde. Dementsprechend
hatte dieses Substrat 33 einen Außendurchmesser von 0,8 mm. Ein Substrat 34 gemäß F i g. 11D für ein Fühlelement Nr. 4 wurde hergestellt, indem hochreines Tantalpulver
mit einer mittleren Teilchengröße von 4 um zu einem 23 mm langen Zylinder 346 mit 23 mm Durchmesser und
einem Tantaldraht 34« mit 0,4 mm Durchmesser als Achse zusammengepreßt und das zusammengepreßte
Pulver346 im Vakuum bei 2000°C gesintert wurde.
Ein Substrat 35 gemäß F i g. 11E für ein Fühlelement Nr. 5 war im Grunde dem Substrat 34 gleichartig, jedoch größer bemessen. Als Achse wurde ein Tantaldraht 35a mit 05 mm Durchmesser verwendet, während die (bei 2000°C im Vakuum gesinterte) zylindrische Tantalmassc 356 einen Durchmesser vcn 7,0 mm und eine Länge von 13 mm hatte.
Ein Substrat 35 gemäß F i g. 11E für ein Fühlelement Nr. 5 war im Grunde dem Substrat 34 gleichartig, jedoch größer bemessen. Als Achse wurde ein Tantaldraht 35a mit 05 mm Durchmesser verwendet, während die (bei 2000°C im Vakuum gesinterte) zylindrische Tantalmassc 356 einen Durchmesser vcn 7,0 mm und eine Länge von 13 mm hatte.
Diese Substrate 31 bis 35 wurden jeweils einem Eloxierprozeß unter Verwendung einer wäßrigen 20 ml/l-Lösung
von HNO3 unterzogen, so daß ein Oberflächenbereich des jeweiligen Substrats in eine 5 bis 150 nm dicke
ίο Dünnschicht aus Ta2O* d.h. eine dielektrische Oxidschicht umgewandelt wurde. Die eloxierten Substrate
wurden mit einer wäßrigen Lösung von Mn(NOj)2 benetzt und auf 300°C erwärmt, um eine Pyrolyse des
Mn(NOa)2 zu erzielen, die eine Beschichtung der dielektrischen Oxidschicht des jeweiligen Substrats mit einer
porösen Schicht von MnO2, d. h. einer halbleitenden Metalloxidschicht ergab. Durch Aufbringen von Kolloidgraphit
auf die Außenseite der Mangandioxid-Schicht und nachfolgendes teilweises Beschichten der Außenseite der
Graphitschicht mit einem Silberanstrichmittel (Dispersion feinverteilten pulvrigen Silbers in einem organischen
Bindemittel) wurde eine leitende Schicht an dem jeweiligen Element angebracht, an der sodann eine Zuleitung
angelötet wurde.
Obgleich bei allen Fühlelementen 1 bis 5 die dielektrische Oxidschicht und die Mangandioxidschicht auf die
gleiche Weise ausgebildet wurden, unterschieden sich die Fühlelemente voneinander hinsichtlich ihrer elektro-
statischen Kapazität im Trockenzustand, dem Ansprechen auf Feuchtigkeitsänderungen, der Ansprechhysterese f
und der Empfindlichkeit, d. h. des Änderungsmaßes der elektrostatischen Kapazität je Prozent Feuchtigkeitsänderung,
da die dielektrische Oxidschicht als Folge unterschiedlicher Form und Größe der Substrate 31 bis 35
verschieden ausgebildet war.
F t g. 12 zeigt den Zusammenhang zwischen der realtiven Feuchtigkeit und der elektrostatischen Kapazität bei den jeweiligen Fühlelementen Nr. 1 bis 5.
F t g. 12 zeigt den Zusammenhang zwischen der realtiven Feuchtigkeit und der elektrostatischen Kapazität bei den jeweiligen Fühlelementen Nr. 1 bis 5.
Bei einem Feuchtigkcitsfühlelement mit elektrostatischer Kapazitätsänderung ist die Ableitung eines elektrischen
Signals um so leichter, je größer das Kapazitätsänderungsmaß je Prozent Feuchtigkeitsänderung und je
kleiner die Kapazität im Trockenzustand ist Bei der Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung ist das Kapazitätsänderungsmaß
des Feuchtigkeitsfühlelements auf der Basis der Kapazitätswerte Gje und Cn definiert, die
jeweils bei 98 bzw. 31 % relativer Feuchtigkeit gemessen werden, und zwar deshalb, weil diese Prozentzahlen der
relativen Feuchtigkeit leicht und genau erhalten werden können, indem für 98% relative Feuchtigkeit eine
gesättigte Bleinitratlösung und für 31% relative Feuchtigkeit eine gesättigte Kalziumchloridlösung verwendet
wird. Somit wird das Kapazitätsänderungsmaß bei der Feuchtigkeitsmeßvorrichtung als Verhältnis
(Cjj—CjiyCj» ausgedrückt, so daß das Kapazitätsänderungsmaß je Prozent relativer Feuchtigkeit durch
(C98-C3i)/(67 · Cm) ausgedrückt wird, wobei die Zahl 67 den Unterschied zwischen 98 und 31 (% relative
Feuchtigkeit) darstellt.
Versuchswerte für Cn, (Cm-ChVGm und (G)8- Cn)/(67 . Cn) für die Fühlelemente Nr. 1 bis 5 sind in der
nachstehenden Tabelle 1 angeführt. t.
Fühlelement Substrat Cs (C^ - Cj1) (Qg - C31)
(μΠ Cn (67 · C3Q -:
Nr. 1 Ta-Draht, 1,0 mm Durchmesser χ IO mm 0,150 0,6 0,022
Nr.2 Ta-Draht,geätzt 1,0 mm Durchmesser χ 10 mm 0,200 0,75 0,045
Nr. 3 Ta-Draht,durch Plasma-Besprühen 0,200 0,75 0,045
mit Ta beschichtet:
Draht:0,4 mm Durchmesser χ 10 mm,
Schicht: 0,2 mm dick
Schicht: 0,2 mm dick
Nr.4 Gesinterter Ta-Körpcr mit Ta-Drahtkern 16,5 0,042 6,3 χ ΙΟ4
von 0,4 mm Durchmesser,
2,3 mm Durchmesser χ 2,3 mm
2,3 mm Durchmesser χ 2,3 mm
Nr.5 Gesinterter Ta-Körper mit Ta-Drahtkern 250 0,0049 7,2x10-'
von 05 mm Durchmesser,
',0 mm Durchmesser χ 13 mm
F i g. 13 zeigt das Ergebnis eines Versuchs, bei dem die Fühlelemente Nr. I bis 5 plötzlich aus einer Atmosphäre
mit 31% relativer Feuchtigkeit in eine Atmosphäre mit 98% relativer Feuchtigkeit versetzt wurden, um die
Zeit zu überprüfen, die zum vollen Ansprechen auf den Fetichtigkeitswechsel erforderlich war.
Wie aus Tabelle 1 und den Fig. 12 und 13 ersichtlich ist, zeigten die Fühlelemente Nr. 1 bis 3 beträchtlich
große Werte für (Gje — Cm)/Gjb und wiesen sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit als auch des Ansprechens
hervorragende Eigenschaften auf. Das Fühlelement Nr.4 warden Elementen Nr. 1 bis 3 aufgrund eines kleineren
Werts für (Ge —CmVCm unterlegen, wurde aber trotzdem ausgewertet, da es in Fällen verwendbar ist, bei
welchen eine Ansprechzeit bis zu 10 bis 20 Minuten zulässig ist. Das Fühlelement Nr. 5, das einen außerordentlich
kleinen Wert für(G>e- Cj 1V Gw zeigt, kann kaum als praktisch verwendbar angesehen werden.
Das Beispiel zeigt, daß die Feuchtigkeitsmeßvorrichtung in der Ausführung nach Fig. 1 hinsichtlich der
Empfindlichkeit und des Ansprechvermögens hervorragende Eigenschaften aufweist und demgemäß die Ver-
wendung einer sehr einfachen und klein bemessenen elektrischen Schaltung zur Ableitung eines elektrischen
Signals zuläßt wenn das Verhältnis (Ctg—Cn)ZC9S des Fühlclements größer als 0,01 ist. Wenn der Wert
(Ca—Ch)(Cm größer als 0,1 ist (was bei den Fühlelementen Nr. 1 bis 3 der Fall ist), kann das Fühlelement
außerordentlich klein bemessen rad bei klein bemessenen Vorrichtungen wie Uhren oder tragbaren Rundfunkgeräten verwendet werden.
Das Erfordernis, bei der Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung (Ct-Cn)ICt größer als 0,01 zu halten,
wurde aus den Ergebnissen zahlreicher Versuche einschließlich des Beispiels 1 abgeleitet
Ein Tantalstab 36 mit einem Durchmesser von 1 mm wurde eloxiert indem ein Oberflächenbereich in eine
ungefähr 50 nm dicke Tantaloxidschicht 38 umgewandelt wurde. Einige Proben des aus dem Tantalstab gebildeten Substrats 36 wurden auf identische Weise behandelt, wobei durch Pyrolyse einer Mangannitratlösung auf der
Tantaloxidschicht 38 eines jeweiligen Substrats 36 über eine Länge von 10 mm (in axialer Richtung des Tantal- is
Stabes 36) eine ungefähr 100 μΐη dicke Mangandioxidschicht 40 ausgebildet wurde. Das Berührungsflächenverhältnis A/(A + ß^zwischen der Tantaloxidschicht 38 und der Mangandioxidschicht 40 wurde jedoch von Substrat
zu Substrat im Bereich von 0,2 bis 0,98 verändert Auf der jeweiligen Mangandioxidschicht 40 wurde eine
Kohlenstoffschicht 42 als leitende Gegenelektrodenschicht ausgebildet auf welche dann eine Silberanstrichschicht 44 aufgebracht wurde. Das auf diese Weise aufgebaute Fühlelement wurde in ein Metallgehäuse 48
eingeschlossen, wobei ein Zwischenraum zwischen der Silberanstrichschicht 44 und dem Gehäuse 48 mit einem
Lötmitte! 46 über einen begrenzten Bereich aufgefüllt wurde. Das Gehäuse 48 hatte Lüftungslöcher 50, so daß
das Fühlelement der Atmosphäre ausgesetzt werden konnte.
Bei den gemäß diesem Beispiel hergestellten Feuchtigkeitsfühlern entsprach die Veränderung der Relation
zwischen der relativen Feuchtigkeit und der elektrostatischen Kapazität der Darstellung in F i g. 5. 2s
Eine Keramikscheibe 52 mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als Träger verwendet wobei auf einer Seite der
Keramikscheibe 52 durch Vakuumablagerung eine Tantalschich: 54 mit einer Dicke von 1 μπι ausgebildet
wurde. Die Tantalschicht 54 wurde eloxiert, indem ein Oberflächenbereich in eine 50 nm dicke Tantaloxidschicht
56 umgewandelt wurde. Auf der Tantaloxidschicht 56 wurde eine 10 μιη dicke Mangandioxidschicht 58 durch
Pyrolyse einer wäßrigen Lösung von Mangannitrat ausgebildet. Das Berührungsflächenverhältnis betrug ungefähr 0,5. Auf der Mangandioxidschicht 58 wurde durch Vakuumablagerung von Aluminium eine Gegenelektro-
denschicht 60 ausgebildet woraufhin an der Tantalschicht 54 und der Gegenelektrodenschicht 60 Zuleitungen 62
angebracht wurden.
Anhand der Fig. 17 bis 19 werden nachstehend kurz Beispiele für elektrische Schaltungen zur Erzeugung
eines Impulssignals beschrieben, das eine Änderung der elektrostatischen Kapazität eines Feuchtigkeitsfülilelements anzeigt.
Die Schaltung gemäß Fig. 17 weist eine Lade-Entlade-Schaltung 66, eine Konstantspannungsquelle 68 und
eine Spannungsvergleichsschaltung 70 wie beispielsweise einen Vergleicher auf. Ein Feuchtigkeitsfühlelement
64 (als eine Art von Kondensator) wird mittels der Lade-Entlade-Schaltung 66 aufgeladen und sodann entladen,
wobei die Anschlußspannung Vs des Feuchtigkeitsfühlelements 64 in die Spannungsvergleichsschaltung 70
eingegeben wird. In diese wird auch eine Bezugsspannung V1. eingegeben, so daß die Spannungsvergleichsschaltung 70 aufgrund eines Vergleichs der Anschluöspannung V, mit der Bezugsspannung V1. ein Impulssignal S,
er/.cugt, das beispielsweise einer Feuchtigkeitsanzeige in Digitalausführung zugeführt oder zur Steuerung einer
Klimaanlage verwendet werden kann.
Das mittels der Schallung nach F i g. 17 erzeugte Impulssignal S1 hat die Form eines Einzelimpulses. Wenn eine
Folge fortlaufender Impulse als Signal für eine Feuchtigkeitsänderung erwünscht ist, kann dies durch Hinzufügen einer Flip-Flop-Schaltung 72 zu der Schaltung nach Fi g. 17 erfolgen, was in Fig. 18 gezeigt ist. In diesem
Fall wird das Ausgangssignal der Spannungsvergleichsschaltung 70, d. h. das Impulssignal S1 in die Flip-Flop-Schaltung 72 eingegeben, eueren Ausgangssignal S1. als Rückkopplungssignal für die Lade-Entlade-Schaltung 66
verwendet wird. Hierdurch wird das Fcuchtigkeitsfühlelement 64 wiederholt aufgeladen und entladen, so daß
das Ausgangssignal S1. der Flip-Flop-Schaltung 72 eine ständige Folge von Impulsen wird, die zur Anzeige von
Kapazitätsänderungen des Feuchtigkeitsfühlelements 64 dienen.
Eine Schaltung nach F i g. 19 ist in der Funktion der Schaltung nach F i g. 18 gleichwertig, jedoch findet eine
integrierte Zeitgeberschaltung 74 anstelle der Einzelschaltungen 66,70 und 72 gemäß F i g. 18 Verwendung, um
eine Vereinfachung herbeizuführen. Mit 76 und 78 sind Widerstände bezeichnet.
Die Schaltungen gemäß den Fig. 17 bis 19 stellen jedoch nur Beispiele dar, da auch verschiedene andere
Schaltungen verwendet werden können, die von den in den Fig. 17 bis 19 gezeigten Schaltungen abweichen.
Beispielsweise kann zur Umsetzung der elektrostatischen Kapazitätsänderung des Feuchtigkeitsfühlelements in
ein elektrisches Signal gewünschter Form auch eine Schwingschaluing oder eine Integrierschaltung verwendet
werden.
65
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung durch elektrostatische Kapazitätsänderung, mit einem als erste
Elektrode dienenden metallischen oder in Form von Silizium oder Germanium halbmetallischen Substrat,
einer durch Oxidation eines Oberflächenbereichs des Substrats gebildeten dielektrischen Oxidschicht und
einer auf der Seite der dielektrischen Oxidschicht als zweite Elektrode gasdurchlässig ausgebildeten leitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der dielektrischen Oxidschicht (12) und der
leitenden Schicht (18) eine gasdurchlässige halbleitende Metalloxidschicht (16) angeordnet ist die makroskopisch zumindest den Hauptteil der Außenfläche der dielektrischen Oxidschicht (12) bedeckt jedoch mikro-
to skopisch an ihrer Innenfläche nur über eine Vielzahl begrenzter Flächenbereiche (12a) mit der Außenfläche
der dielektrischen Oxidschicht (12) derart in Berührung steht daß eine Vielzahl kleiner Zwischenräume (20)
zwischen der Außenfläche der dielektrischen Oxidschicht (12) und der Innenfläche der halbleitenden Metalloxidschicht (16) vorhanden ist und das Verhältnis der tatsächlichen Berührungsfläche [A) zwischen der
halbleitenden Metalloxidschicht (16) und der dielektrischen Oxidschicht (12) zur scheinbaren Beriihrungsflä
ehe [A + B) zwischen der halbleitenüen Metalloxidschicht (16) und der dielektrischen Oxischicht (12) im
Bereich von 0,2 bis 038 liegt
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verhältnis der tatsächlichen zur
scheinbaren Berührungsfläche zwischen der halbleitenden Metalloxidschicht (16) und der dielektrischen
Oxidschicht (12) im Bereich von 0,2 bis 038 eine durch die Bezeichnung
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