DE3140446A1 - Feuchtefuehler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• Feuchtefühler und Verfahren zu
• seiner Herstellung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtefühler gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1 und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
• Die Messung der relativen Feuahte über einen weiten Bereich von beispielsweise 10 bis 90% bereitet im allgemeinen immer noch groBe Probleme, da diese Messung darauf hinausläuft groBe Widerstandswerte in der Größenordnung von mehr als 106# zu messen, wobei sich aufgrund von Antenneneffekten Störeinstreuungen ergeben.
• Im Stand der Technik wurde Eisenoxyd als auf die Feuchte ansprechendes Element verwendet, wobei in diesem Zusammenhang auf den Artikel "Electrical properties of iron oxyd polyethelene glycol humidity sensitive elements" vcn Nicholas, Pitkanen, Lavine, Zook und Hagen, Mai 1976, Journal of Applied Physics, Band 47, Nr.5, Seiten 2191-2199 verwiesen sei. Die Veröffentlichung richtet sich jedoch auf eine Einrichtung mit geringer Impedanz, wobei Polyäthylenglycol mit Fe2O3 gemischt wird, um die Impedanz zu verringern.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fühler für die relative Feuchte mit hoher Impedanz anzugeben, der eine verminderte Störsignalaufnahme aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäBen Feuchtefühlers sowie eines Verfahrens zu seiner Herstellung sind den Unteranspruchen entnehmbar.
• Durch den speziellen Elektrodenaufbau und einen speziellen Schaltkreis kann der Meßbereich in den Bereich hoher Impedanzen bis zu 1012 # erstreckt werden. Durch den neuen Aufbau werden sehr geringe Antenneneffekte vorgegeben, was auf die geringe Oberfläche des Fühlers und. auf die Abschirmung der Anschlüsse zurückzuführen ist.
• Der vorliegend Feuchtefühler kann miniaturisiert werden, ohne daß seine Lebendauer und Stabilität beeinträchtigt wird. Aufgrund der hohen Impedanz sind die elektrischen Ströme in dem Fühler gering und es erfolgt eine sehr geringe Aufheizung. Dies wiederum gestattet eine Verringerung der Abmessung. der erfindungsgemäße Fühler besitzt einen erweiterten Impedanzbereich, wobei sich die Impedanz bei hoher Feuchtigkeit (z.B. 90%) in der Größenordnung von 10³# entsprechend bekannter bereits vorliegender Feuchtefühler und bei geringer Feuchtigkeit (z.B.10%) in der Größernordnung von 1012# bewegt. Bei einer relativen Feuchtigkeit von 358 beträgt die Impedanz etwa 106# Durch den vorliegenden Fühler wird somit der Impedanzbereich gegenüber bekannten Fühlern von ungefähr 106# auf ungefähr 1012 52 erstreckt.
• Bei einem Fühler mit hoher Impedanz (1012#), wie er durch die vrliegende Erfindung angegeben wird, müssen bestimmte Probleme gelöst werden, wobei eines dieser Probleme aus den Leckströmen resultiert. Bei dem erfindungs- gemäßen Fühler ergeben sich aufgrund der geringen geometrischen Abmessung und einer vorgesehenen Abschirmung geringe durah elektrische Felder hervorgerufene Leckströme.
• Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Feuchtefühler mit hoher Impedanz; Fig. 2 einen Querschitt durch den Fühler gemäß Fig. 1; Fig.3 eine Modifikation des Fühlers gemaB Fig.1; Fig. 4 ein Diagramm, in welchem der Widerstand über der relativen Feuchtigkeit aufgetragen ist; und Fig. 5 einen elektrischen Schaltkreis zur Auswertung des von dem Feuchtefühler gelieferten Signales.
• Ein die relative Feuchtigkeit erfassendes Element mit hoher Impedanz wird gebildet, indem auf ein isolierendes Substrat ein leitender Film beispielsweise aus Gold aufgebracht wird, wobei der Umfang dieses ersten Filmes vollständig von einem zweiten leitenden Film umschlossen wird, der sich ebenfalls auf dem nichtleitenden Substrat befindet und von dem ersten Film einen Abstand aufweist.
• Eine auf Feuchtigkeit ansprechende Schicht aus Eisenoxyd wird über den leitenden Filmen und der Lücke dazwischen aufgebracht, wobei diese Schicht die Lücke zwischen beiden Filmen überbrückt. Elektrische Anschlüsse sind jeweils mit den beiden leitenden Filmen verbunden.
• GemäB den Figuren 1 und 2 ist ein isolierendes SubstratlO vorgesehen, das beispielsweise aus nichtleitendem Keramikmaterial oder Glas besteht, welches eine hohe Dichte und Reinheit aufweist. Materialien für dieses Substrat bilden beispielsweise AlSiMg, Aluminium, Saphir und Quarz.
• Auf die Oberfläche dieses Substrats wird ein innerer leitender Film 11 beispielsweise aus Gold aufgedampft, der von einem äuBeren leitenden Film ebenfalls aus aufgedampftem Gold umgeben ist. Eine Lücke 13 zwischen beiden Filmen besitzt beispielsweise eine Breite von 0,085 mm.
• In einer verwirklichten Ausführungsform besitzt das Substrat eine Dicke von 0,64mm und weist eine quadratische Abmessung mit einer Kantanlänge von 2,54cm auf. Es bebesteht aus AlSiMg, welches von der Firma 3M unter der Produktnummer 614 vertrieben wird. Zwei enge Bohrungen 14 und 15 befinden sich in dem Substrat,um Anschlussdrähte 16 und 17 von hinten an die Filme heranzuführen. Die gesamte gereinigte Oberfläche des Substrats wurde mit Ausnahme der Lucky von 0,085mm mit aufgedampftem Gold beschichtet. Das Gold kann gewünschtenfalls in einem Maskenverfahren (silk screening) aufgebracht werden. Danach folgt ein Temperprozess. Die vier Kanten werden ungefahr 1,6mm auf der Goldoberfläche 12 ebenso wie eine kreisfbrmige Fläche von 1,6mm im Zentrum abgedeckt und sodann wird die Oberfläche gleichmäßig mit dem auf die Feuchte ansprechenden Eisenoxyd beschichtet. Das Eisenoxyd ist in einer dünnen wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol gelöst und wird aufeinmal solange mit einer Luftbdrste zugeführt, bis der zugeführte Oxyfilm ausreichnd lichtundurchlässig ist, um das Gold der Elektrodensahiahten 11 und 12 gegen Licht abzudecken. Heizeinrichtungen können erforderlich sein, um das Oxyd zwischen den nacheinander zugeführten Schichten zu trocknen. Das Eisenoxyd wurde sodann bei einer Temperatur von ungefähr 1080° bis 1100°C während ungefähr 13 bis 15 Minute gesintert, um die Herstellung des Fühlers zu vervollständigen. Während des Sinterprozesses wird das Eisenoxydpulver zusammengebacken, wobei es poröse Kügelchen bildet und ebenfalls mit den Elektroden verbunden wird. Gewünschtenfalls können auch nicht gesinterte Fühler mit Eisenoxyd verwendet werden.
• Wahrend die Erfindung anhand eines Fühlers beschrieben eird, bei dem die feuchtigkeitsempfindliche Schicht aus Einsenoxyd (Fe2O3) besteht kann ganz allgemein das Material für die feuchtigkeitsempfindliche Schicht aus einem hygroskopischen Metalloxyd, einem hygroskopischen Polymer (dotiert oder unbehandelt) oder einem anorganischen Salz bestehen.
• Es ist bekannt, daB diese Materialien in geeigneter Form den hohen Widerstand von elektrischen Isolatoren aufweisen.
• Es ist ferner bekannt, daB bestimmte Oxyde ihrer Natur nach hygroskopisch sind, was ihre Isolationseigenschaften beeinfluBt, wenn sie einer Atmosphäre ausgesetzt werden, die eine gewisse Menge von Wasserdampf enthält. Der Wart des elektrischen Widerstandes verändert sich hierbei in Abhängigketi von dem Wasserdampfgehalt der Atmosphäre.
• Die Gewünschten Eigenschaften, einschließlich des von der Feuchtigkeit abhängenden Widerstandes und einem hohen Maß an chemischer Stabilität, herrschen speziell bei den Oxyden der Metalle vor, wie sie in der Gruppe VIII, Periode 4 der periodisahen Tabelle der Elemente vorgefunden werden. Obgleich andere Materialien verwendet werden können, werden die Oxyde von Eisen, Nickel und Kobalt gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Bezüglich des dotierten Polymers bildet Polyvinylalkohol mit Lithiumchlorid ein Beispiel für ein geeignetes Material.
• Geeignete unbehandelte Polymere beinhalten Polyäthylenfluorid und Polyimide. Geeignete anorganische Salze umfassen Lithiumfluorid, Bleijodid, Certitanat und Natriumhydrogenphosphat.
• In dem Ausführungsbepiel gemäß den Figuren lund 2 ist die äußere Elektroden 12 konzentrisch um die innere Elektrode 11 dargestellt, und der Abstand 13 zwischen den Elektroden tritt als Ringspalt auf. Während es erforderlich ist, daB der Ringspalt 13 kontinuierlich verläuft und sich in sich selbst schließt, ist es nicht erforderlich, daB er kreisförmig mit einem vorgegebenen Radius verläuft. Der Ringspalt 13 kann im wesentlichen rechteckförmig oder in Serpentinen verlaufen,um die Spaltlänge zu vergrößern, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. In jedem Fall wird das Eisenoxyd tiber dem Ringspalt und den inneren und äußeren leitenden-Elektroden zugeführt, UlR den Ringspalt kontinuierlich mit Eisenoxyd zu überbrücken. Bei-der Herausführung es Leitungsdrahtes 16 auf der Rückseite des Substrates gemäB den Figuren 1 und 2 ist es erwünscht, einen Schutzring 36 auf der Rückseite des Substrates vorzusehen, wobei ein Leitungsdraht 18 mit diesem Schutzring verbunden ist.
• Beim Aufbau von Fühlern mit hoher Impedanz können durch die Oberflächenverschmutzung hervorgerufene Leckströme zu Messfehlern Führen. Um die Anforderungen an saubere die Oberflächen beim Betrieb des Fühlers zu vermindern, wird für die Leckströme ein Abschluss durch Schutzerdung vorgegeben. Ein Schutzring gibt eine leitende Abschirmung um den Erfassungspunkt des Fühlersignales vor. Dieser Schutzring wird auf dem elektrischen Potential des Signales mittels eines elektronischen Schaltkreises gehalten. Da kein elektrisches Potential zwischen dem Schutzring und dem Erfassungspunkt des Signales vorliegt; ergibt sich kein durch Einstreuungen hervorgerufenes Leckstromsignal, das einen MeBfehler verursachen kbnnte.
• Tn dem schematischen Schaltkreis gemäß Figur 5 ist der relative Feuchtefühler gemäß den Figuren lund 2 als Widerstandselemenet 30 dargestellt. Das Element 30; das im wesentlichen eine kreisförmige Geometrie aufweist, ist an der AuBenkante des äußeren leitenden Filmes 12 durch eine Abschirmung 31 begrenzt, die hier gestrichelt dargestellt ist. Die Abschirmung ist mit dem Film 12 und dem Leitungsdraht 17 in Figur 5 verbunden, wobei der Leitrungsdraht 17 an einen Anschluss eines Wechselspannungsgenerators 32 angeschlossen ist, dessen anderer Anschluss an Masse liegt. Der Generator 32 kann beispielsweise In Reahteakwellengenerator mit einer Frequenz von 1Hz bzw. 10Hz sein, wobei die Spitzenspannung 1 Volt beträgt. Das Signal muß jedoch nicht rechteckförmig 5ein. Der innere leitende Film 11 des Fühlers ist durch den AnschluBdraht 16 mit einem Schaltungspunkt 33 und dem positiven Signaleingang eines Feldeffekttransistor-Opperationsverstärkers 34 verbunden, wobei der Verstärker 34 als Pufferverstärker mit Rückführung arbeitet.
• Der Schaltungspunkt 33 ist ferner über elnen hochohmigen Widerstand 35 an Masse angeschlossen. Der Schutzring 36 umgibt dem Schaltungspunkt 33, wobei dieser direkt anden negativen Eingang des Operationsverstrkers 34 angeschlossen ist. Aufgrund der Rückführung des Opera- tionsverstärkers 34 ergibt siah eine Potentialdifferenz von 0 zwischen den beiden Eingängen dieses Verstrikers, wobei der Schutzring 36 auf dem gleichen Potential wie der Signaleingang gehalten wirdtum Leckströme zu vermeiden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 34 ist über einen Verstärker 37 auf eine Anzeigeeinrichtung 38 geführt.
• Ein Schutzringsignal mit niedriger Impedanz kann in einfacher Weise durch die Verwendung eines rückgekoppelten Verstärkers 34 mit der Verstärkung 1 erzielt werden.
• Durch die Anordnung einer Rückführung von dem Ausgang auf den invertierenden negativen Eingang des Verstärkers ergibt sich ein Signal mit niedriger Impedanz, das dem Eingangssignal folgt und diesem entspricht. Dieser Punkt mit geringer Impedanz gibt die Schutzspannung vor.
• L e e r s e i t e

Claims (15)

1. Patentansprüche: 1. Feuchtefuhler, g e k e n n z e i c h n e t d u r c ein isolierendes Substrat (10) hoher Reinheit; einen inneren leitenden Film (11) auf der Oberfläche des Substrats (10), der einen ersten Anschluss (16) des Fühlers bildet; einen äuBeren leitenden Film (12) auf der Oberfläche des Substrates (10), wobei der Umfang des inneren Filmes (11) im Abstand vollständig von dem äußeren Film (12) umgeben ist, so daß ein kontinuierlicher Ringspalt (13) verbleibt, an dem das Substrat (10) zwischen dem inneren und äußeren Film zugägnglich ist, und wobei der äußere Film einen zweiten Anschluss (17) des Fühlers bildet; und einen feuchtigkeitsempfindlichen Film (30) hoher Impednz, der den Ringspalt (13) abdeckt und sich auf den inneren und äuBeren Film erstreckt.
2. 2. Fühler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t daB der innere und äußere leitende Film (11, 12) aus Gold besteht.
3. 3. Fühlre nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h elne Kreisform.
4. 4. Fühler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daB das Substrat durch einen im wesentlichen flachen Körper mit elner Dicke von ungefähr 0,6 mm und einer Quadrat-Kantenlänge von 2,5cm vorgegeben ist.
5. 5. Fühler nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daB die Filme (1-1,12) aus Gold aufgedampft sind.
6. 6. Fühler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, - . g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen an die Anschlüsse (16,17) angeschlossenen Schaltkreis, welcher umfaBt: einen an den zweiten Anschluss (17) angeschlossenen Rechteckwellengenerator (32); einen Operationsverstärker (34) mit hoher Eingangsimpedanz, dessen Ausgang auf den negativen Signaleingang zurückgeführt ist; einen mit dem positiven Eingang des Operatlonsverstärkers (34) verbundenen Schaltungspunkt (33), der elnerseits an den inneren Film (11) und andererseits über einen hochohmigen Widerstand (35) an Masse angeschlossen ist; einen den Schaltungspunkt (33) umgebenden Schutzring (36), der direkt mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers (34) verbunden ist, wobei das Potential dieses Schutzringes auf dem gleichen Potential wie der positive Eingang gehalten wird, so daB Leckströme verhindert werden; und eine an den Ausgang des Operationsverstärkers (34) angeschlossene Anzeigeeinrichtung (37,38).
7. 7. Flhler nach Anspruah 1 oder 6, d a d u r c h g e -k e n n-z e i c h n e t, daB das isolierende Substrat (10) hoher Reinheit aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, die Aluminium, Al. SiMg bzw. Quarz enthält.
8. 8. Fühler nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z z e i c h n e t, daB der Operationsverstärker (34) eine Verstärkung von 1 aufweist.
9. 9. Fühler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daB der feuchtigkeitsempfindliche Film (30) aus Eisenoxyd (Fe2o3) besteht.
10. 10. Fuller nach Anspruch 1, d a d u r e h g e -k e n n z e i c h n e t, daB der feuchtigkeitsempfindliche Film (30) aus einem hygroskopischen Polymer besteht.
11. 11. Fühler nach Anspruch 10, d a d u r e h g e -k e n n z e i 5 h n e t, daB das hygroskopisahe Polymer durch Polyvinylalkohol mit Lithiumchlorid vorgegeben 1st
12. 12. Fühler nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daB das hygroskopische Polymer durch polyäthylenfluorid vorgegeben ist.
13. 13. Fühler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daB der feuchtigkeitsempfindliche Film (30) aus einem organischen Salz besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche Natriumhydrogenphosphat, Bleijodid, Certitanat und Lithiumflorid enthält.
14. 14. Verfahren zur Herstellung eines Feuchtefühlers gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h die folgenden Schritte: a) Vorgabe eines Substrates (10) hoher Reinheit; b) Ablagerung eines inneren leitenden Films (11) auf der Oberfläche des Substrates, wobei der Film im wesentlichen kreisförmig ist; c) Ablagerung eines äußeren leitenden Films (12) auf der Oberfläche des Substrates im Abstand von dem inneren leitenden Film (11), wobei ein Ringspalt (13) zwischen innerem und äuBerem Film gebildet wird; und d) Ablagerung eines Filmes (30) aus feuchtigkeitsempfindlichem Material mit hoher Impedanz, um den Ringspalt (13) abzudecken, wobei sich das Material auf den inneren und äußeren Film ersteckt, so daB der feuahtigkeitsempfindllahe Film den Ringspalt und die leitenden Schichten überbrückt.
15. 15.Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daB der feuchtigkeitsempfindliche Film (30) aus einem Oxyd von Elementen besteht, die in der Gruppe VIII, Periode 4 der periodisahen Tabelle der Elemente enthalten sind.