DE10016427C2 - Sensor, insbesondere Feuchtesensor, und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtesensor nach Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben und dessen Verwendung.

Feuchtesensoren weisen üblicherweise eine Schicht eines hygroskopischen und damit gegenüber Wasserdampf sensitiven Materials auf. Je nach Menge des in der Schicht gespeicherten Wassers verändert sich sowohl die Dielektrizitätskonstante des Schichtmaterials wie auch dessen elektrischer Widerstand. Dies ermöglicht sowohl eine kapazitive als auch eine resistive Bestimmung des Wasserdampfgehalts einer die Schicht umgebenden Atmosphäre.

Wird eine kapazitive Bestimmung des Wasserdampfgehalts angewandt, so hat sich eine Schichtanordnung bewährt, bei der sich auf einer Substratoberfläche eine Abfolge aufeinander angeordneter Schichten bestehend aus einer Basiselektrode, einer auf Wasserdampf sensitiven Schicht und einer Deckelektrode befindet. Derartige Schichtanordnungen sind beispielsweise der FR 2750494 A1 und der US 5,177,662 zu entnehmen. Problematisch an diesem Schichtaufbau ist, daß die Deckelektrode den Zutritt der umgebenden Gasatmosphäre zur sensitiven Schicht stark einschränkt und der Sensor nur verzögert auf eine Veränderung des Wasser­ dampfgehalts der Gasatmosphäre anspricht. Die Erzeugung ex­ trem dünner und damit gasdurchlässiger Deckelektroden kann mittels einer Dünnschichttechnologie wie beispielsweise Sputtern erfolgen; sie ist jedoch sehr aufwendig.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde auf ein Komposit­ material mit einem organischen Binder als Matrix und elek­ trisch leitfähigen Partikeln zur Gewährleistung der Leitfä­ higkeit der Deckschicht zurückgegriffen.

Aus der US 4,120,813 ist ein resistiver Feuchtesensor mit Elektroden bekannt, die aus einem Gemisch von Graphit- oder Metallpartikeln und einem Polymer bestehen. Da bei derarti­ gen resistiven Feuchtesensoren die Elektroden und die sensi­ tive Schicht flächig angeordnet werden, spielt die Gasdurch­ lässigkeit der Elektroden keine Rolle.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement mit einer gasdurchlässigen und trotzdem mit einem geringen Herstel­ lungsaufwand erzeugbaren Basis- und/oder Deckelektrodenschicht bereitzustellen.

Der erfindungsgemäße Feuchtesensor gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, daß er insbesondere eine offenporige Deckelektro­ denschicht aufweist, die einen annähernd ungehinderten Zu­ tritt der umgebenden Atmosphäre zu der auf Wasserdampf sen­ sitiven Schicht des Sensors gestattet. Die offenporige Dec­ kelektrodenschicht enthält ein Kompositmaterial aus elek­ trisch leitfähigen Partikeln und einem Polymer. Die Porosität kann vorzugsweise über das Mischungsverhältnis von leit­ fähigen Partikeln und Polymer insbesondere mittels des er­ findungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorteilhaft einge­ stellt werden.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Feuchte­ sensors möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenräume zwi­ schen den elektrisch leitfähigen Partikeln der Deckelektro­ denschicht nur maximal zu 25 Vol% mit dem Polymer ausgefüllt sind, weil dann das Porenvolumen der Schicht so groß ist, daß die Schicht insgesamt offenporig ist und trotzdem eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Feuchtesensor umfaßt eine Schichtabfolge, die ein Substrat 12, eine elek­ trisch leitfähige Basisschicht 14, eine sensitive Schicht 16 und eine elektrisch leitfähige Deckschicht 18 umfaßt.

Das Substrat 12 ist als ebene Schicht ausgeführt, die bevor­ zugt aus Aluminiumoxid besteht, jedoch auch aus Kunststoff, Glas oder Silicium gefertigt sein kann. Sie ist elektrisch nichtleitend.

Der erfindungsgemäße Feuchtesensor umfaßt weiterhin eine auf Wasserdampf sensitive Schicht 16, die zwischen der elek­ trisch leitfähigen Basisschicht 14 und der elektrisch leit­ fähigen Deckschicht 18 angeordnet ist. Sie besteht bei­ spielsweise aus einem Polyimid.

Die elektrisch leitfähige Basisschicht 14 und die elektrisch leitfähige Deckschicht 18 sind beispielsweise aus dem glei­ chen Material ausgeführt und bestehen aus einem Kompositma­ terial, das elektrisch leitfähige Partikel 13 und einen or­ ganischen Binder 15 umfaßt. Das Kompositmaterial ist offen­ porig ausgeführt, d. h., die in den Poren eingeschlossenen Gasräume stehen so miteinander in Kontakt, daß ein nahezu ungehinderter Zutritt der Gasatmosphäre zur sensitiven Schicht 14 gewährleistet ist.

Als elektrisch leitfähige Partikel 13 eignen sich insbeson­ dere Kohle- oder Metallpartikel oder Mischungen derselben. Als organischer Binder 15 sind eine Vielzahl handelsüblicher Polymere oder Polymermischungen verwendbar, bevorzugt wird als organischer Binder jedoch dasselbe Polymer zugesetzt, welches auch in der sensitiven Schicht 16 vorhanden ist.

Die elektrisch leitfähigen Schichten 14, 18 werden als Elek­ troden kontaktiert und bilden zusammen mit der sensitiven Schicht 16 einen Plattenkondensator, dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstante der sensitiven Schicht 16 und damit vom Wassergehalt dieser Schicht abhängt.

Bei der Herstellung des Feuchtesensors wird zunächst auf das Substrat 12 mittels einer Druckpaste die elektrisch leitfä­ hige Basisschicht 14 gedruckt und ausgehärtet. Auf die ausgehärtete elektrisch leitfähige Basisschicht 14 wird in ei­ nem zweiten Schritt eine sensitive Schicht 16 des auf Was­ serdampf sensitiven Polymers gedruckt und ausgehärtet, wor­ auf in einem letzten Verarbeitungsschritt die elektrisch leitfähige Deckschicht 18 auf die ausgehärtete sensitive Schicht 16 gedruckt wird und ebenfalls ausgehärtet wird. Die Druckpasten für die elektrisch leitfähige Basis- oder Deck­ schicht 14, 16 enthalten die elektrisch leitenden Partikel 13 und den mit einem Lösungsmittel versetzten organischen Binder 15. Bei der Aushärtung entweicht das in der Mischung enthaltene Lösungsmittel und es bleibt eine Matrix aus elek­ trisch leitenden Partikeln und dem festen Binder zurück. Das in der Mischung enthaltene Lösungsmittelvolumen entspricht also annähernd dem späteren Porenvolumen der offenporigen Schichten 14, 16. Durch die gezielte Einstellung des Mi­ schungsverhältnisses von elektrisch leitenden Partikeln 13, organischem Binder 15 und Lösungsmittel kann demnach die Porosität der resultierenden elektrisch leitfähigen Schich­ ten 14, 16 eingestellt werden.

Die theoretisch maximal erreichbare Porosität der elektrisch leitfähigen Schichten 14, 16 wäre dann erreicht, wenn diese aus einer Mischung von leitfähigen Partikel mit einem Lö­ sungsmittel unter Verzicht auf einen Binder hergestellt wür­ den. Derartige Schichten sind jedoch gegenüber mechanischen Belastungen instabil.

Wird der Mischung eine genügend kleine Menge an organischem Binder zugesetzt, so bildet sich ein offenporiges System, das mit zunehmendem Binderanteil immer robuster wird, jedoch ab einem bestimmten Binderanteil in ein geschlossenporiges System übergeht, bei dem die in den Poren eingeschlossenen Gasräume nicht mehr ausreichend miteinander in Kontakt ste­ hen. Dieses ist dann nur noch eingeschränkt gasdurchlässig.

Es ist demnach wünschenswert, den Binderanteil gerade so hoch zu wählen, daß zwar noch keine geschlossenporige Schicht entsteht, andererseits jedoch eine möglichst robuste Elektrodenschicht erzeugt wird. Dies ist der Fall, wenn die Zwischenräume 17 zwischen den elektrisch leitfähigen Parti­ keln 13 in der ausgehärteten Schicht 14, 18 maximal zu 25 Vol.% mit dem organischen Binder 15 ausgefüllt sind.

Die Zusammensetzung einer Mischung, die diesen Ansprüchen genügt, läßt sich nach folgender Formel berechnen:

Hierbei kennzeichnet V das Volumen der herzustellenden elek­ trisch leitfähigen Basis- oder Deckschicht 14, 16, V_B die Menge des in der Mischung enthaltenen organischen Binders 15, V_L das Lösungsmittelvolumen der Mischung und V_MK die Summe der in der Mischung enthaltenen Volumina an Metall- und Kohlenstoffpartikel.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern es sind neben dem in Fig. 1 dar­ gestellten und beschriebenen Feuchtesensor auch weitere An­ wendungen denkbar, bei denen eine offenporige gasdurchlässi­ ge Elektrodenschicht verwendet werden kann, wie beispiels­ weise bei Gassensoren, die auf einem resistiven Meßprinzip beruhen. Dies gilt vor allem, wenn bei derartigen Sensoren die Elektrodenschichten und die sensitive Schicht stapelför­ mig übereinander auf einem Substrat angeordnet sind und nicht flächig nebeneinander.

Des weiteren sind auch Feuchtesensoren denkbar, die ein po­ röses Substrat 12 aufweisen. Der Gaszutritt zur sensitiven Schicht 16 könnte so nicht nur über die elektrisch leitfähige Deckschicht 18 sondern auch über das Substrat 12 und die elektrisch leitfähige Basisschicht 14 erfolgen

Claims (8)

1. Kapazitiver Sensor, insbesondere Feuchtesensor, mit einer auf einem Substrat (12) angeordneten elektrisch leit­ fähigen Basisschicht (14), mit einer über der Basisschicht (14) angeordneten und auf Wasserdampf sensitiven Schicht (16), insbesondere Polymerschicht, und mit einer auf der sensitiven Schicht (16) angeordneten elektrisch leitfähigen Deckschicht (18), wobei die Basisschicht (14) und/oder Deck­ schicht (18) elektrisch leitfähige Partikel (13), vorzugs­ weise Kohle- und/oder Metallpartikel, sowie einen organi­ schen Binder (15) enthält und offenporig ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (16) Zwischenräume (17) zwischen den Kohle- und/oder Metallpartikel aufweist, die zwi­ schen 0 und 25 Vol% an organischem Binder (15) enthalten.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Binder (15) ein Polyimid enthält.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die sensitive Schicht (16) ein Polyimid enthält.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (18) durch flächigen Auftrag einer Mischung elektrisch leit­ fähiger Partikel (13) und eines organischen Binder (15) er­ zeugt werden und daß die Porosität der Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (18) über das Mischungsverhältnis von elektrisch leitfähiger Partikel (13) zu organischem Binder (15) eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung eine nach der Formel
berechnete Menge V_B an organischem Binder (13) enthält, wo­ bei V_L das Lösungsmittelvolumen der Mischung, V das Volumen der Basisschicht (14) und/oder Deckschicht (18) und V_MK die Summe der in der Mischung enthaltenen Volumina an Metall- und Kohlenstoffpartikel bezeichnet.

8. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit, insbesondere in In­ nenräumen.