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Aktive Bauelemente Coverstory Bild 1: Haar-Hygrometer mit nichtlinearer Skala. Messung der relativen Luftfeuchte Einchip-Sensoren vereinfachen das Design Die Luftfeuchtemessung ist in vielen Anwendungen vertreten: in Heiz-/Klimaanlagen und Kühlsystemen, im Gesundheitswesen, bei der Warenverfolgung, im Lagerbereich, in industriellen Steuerungen und meteorologischen Instrumenten. Die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit gilt als eine der schwierigsten technischen Herausforderungen im Bereich der Sensorik. Autor: John Gammel 18 elektronik industrie 05 / 2013
Aktive Bauelemente Coverstory Die Messung der Luftfeuchtigkeit beruht auf der Messung von Temperatur, Druck, Masse oder einer mechanischen oder elektrischen Änderung in einer Substanz, sobald Feuchtigkeit absorbiert wird. Eine Feuchtigkeitsmessung kann dann aus der Kalibrierung und Berechnung einer gegebenen Messgröße hergeleitet werden. Hygrometer (Bild 1) verwenden ein Haar zur Messung der Luftfeuchte, wobei sich die Haarlänge mit dem Feuchtigkeitsanteil ändert. Heute kommen moderne elektronische Feuchtigkeitsmesser zum Einsatz, die die Kondensationstemperatur oder Änderungen elektrischer Kapazitäten oder Widerstände nutzen, um Feuchtigkeitsänderungen mit wesentlich höherer Genauigkeit zu messen. Allgemeine Sensoren zur Messung der relativen Luftfeuchte und vor allem jene auf Basis von kapazitiver Sensorik mit polymeren dielektrischen Materialien weisen besondere Anforderungen auf, die mit herkömmlichen (sensorlosen) ICs nichts gemeinsam haben. Zu diesen Anforderungen zählen: ■ Der Sensor muss bei der Montage auf die Leiterplatte geschützt sein, vor allem während dem Reflow-Löten. Anschließend muss der Sensor rehydriert werden. ■ Der Sensor muss während des gesamten Produktlebenszyklus gegen Beschädigung oder Verschmutzung geschützt sein. ■ Ein längeres Einwirken extremer Temperaturen und/oder Feuchtigkeit kann die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigen. ■ Eine Temperatur-Korrektur und Linearisierung kann für die gemessenen Feuchtigkeitswerte erforderlich sein. Einige dieser Anforderungen ergeben sich aus den natürlichen Eigenschaften der verwendeten Polyimid-Folien, die in kapazitiven Feuchtesensoren verwendet werden. Andere durch die Öffnung des Sensorgehäuses, die das Die und die Sensorfolie der Umgebung aussetzt. CMOS-Fertigungsprozesse ermöglichen heute die Fertigung kapazitiver Feuchtesensoren, die einen kostengünstigen Schutz beziehungsweise eine Abdeckung für das Sensorelement ermöglichen. Bevor auf diese Einchip-Feuchtigkeitssensoren eingegangen wird, eine kurze Erläuterung der Prinzipien der relativen Luftfeuchtemessung. Grundlagen der Luftfeuchtigkeitsmessung Die Menge an Wasserdampf, die sich in der Luft befindet, kann erheblich variieren: von nahezu Null bis zum Sättigungspunkt. Unzureichende oder übermäßige Luftfeuchtigkeit beziehungsweise starke Änderungen können empfindliche Materialien und Objekte beschädigen. Menschen sind ebenfalls empfindlich gegenüber hoher Luftfeuchtigkeit, die zu Unbehagen führt. Der Auf einen Blick Hohe Genauigkeit und langfristige Zuverlässigkeit Durch die monolithische Integration und ein innovatives Design bietet der Si7005 von Silicon Labs eine kostengünstige und kompakte Lösung zur Messung der relativen Luftfeuchte und Temperatur in immer mehr Anwendungen, in denen die Luftfeuchtigkeit überwacht und geregelt werden muss – und das mit hoher Genauigkeit und langfristiger Zuverlässigkeit. Die Luftfeuchtigkeitsmessung hat in der Tat einen langen Weg hinter sich: vom Haar-Hygrometer bis zur Single-Chip- Lösung. infoDIREKT www.all-electronics.de 512ei0513 Bild 2: Beispiele von MCM-/Hybrid-/Modul-Sensorlösungen zur Messung der Luftfeuchtigkeit. menschliche Körper nutzt die Verdunstungskühlung als primärer Temperatur-Regelmechanismus. Ist die relative Luftfeuchte hoch, nimmt auch die Menge an verdampftem Schweiß auf der Hautoberfläche zu, da sich die Dampfmenge in der Luft bereits nahe an der Sättigung befindet. Der Mensch fühlt mehr den Wärmetransport weg vom Körper als die Temperatur selbst: wir empfinden es wärmer, wenn die relative Luftfeuchtigkeit hoch ist. Ist die Luftfeuchte so hoch, dass der Schweiß nicht mehr verdunsten kann, überhitzt sich der Körper, was zu Unbehagen führt. Eine Kombination aus hoher Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit ermöglicht eine effektivere Kühlung. Tabelle 1 listet die menschliche Wahrnehmung bei verschiedener Luftfeuchtigkeit auf. Viele Umgebungen werden meist nur temperaturüberwacht. Seit geraumer Zeit ist auch die Messung der Luftfeuchtigkeit immer wichtiger geworden. Eine Kontrolle der Luftfeuchtigkeit ist vor allem in den Bereichen Wohnung, Lagerung und Fertigung von Bedeutung. Die Reglung von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit ist entscheidend für die Konservierung vieler Materialien wie Medikamente, Lebensmittel, Stoffe und Holzprodukte. Inakzeptable Luftfeuchtigkeitswerte tragen vor allem zusammen mit extremen Temperaturen zu einem hohen Materialverschleiß bei. Wärmeeinwirkung verschlechtert die Leistungsfähigkeit und hohe Luftfeuchte unterstützt schädliche chemische Reaktionen. Zusammen kann dies zu Schädlings- und Schimmelbefall führen. Eine extrem niedrige Luftfeuchte kann ebenfalls schädigende Auswirkungen haben: empfindliche Materialien trocknen aus und werden brüchig. Hohe Schwankungen in Temperatur und Luftfeuchte verursachen ebenfalls Schäden durch Ausdehnung und Kontraktion, was zu einem schnelleren Verschleiß führt. Der Einbau und Betrieb geeigneter Klimaanlagen hilft, Normalbetriebs- und Konservierungsstandards einzuhalten, was den Materialverschleiß erheblich verringert. Um die Luftfeuchtigkeit zu regeln, Schäden oder Unbehagen zu vermeiden, oder um Ereignisse zu erkennen, die zu Produktschäden bei der Lagerung oder während des Transports entstehen, ist eine genaue Messung der Luftfeuchtigkeit entscheidend. Diese Messung sollte mit einer Komponente möglich sein, die sich einfach und kostengünstig in eine elektronische Regelung integrieren lässt. Techniken zur Messung der Luftfeuchtigkeit Luftfeuchtigkeit lässt sich auf verschiedene Arten quantifizieren. Der wichtigste Messwert für Umgebungsqualität ist die relative Luftfeuchtigkeit. Dabei handelt es sich um das Verhältnis tatsächlich vorhandenen Wasserdampfs in der Luft zu der Menge an Wasserdampf, die bei Sättigung vorhanden wäre, wenn die Luft keine weitere Feuchtigkeit aufnehmen kann. Die absolute Luftfeuchtigkeit definiert hingegen die Menge an Wasserdampf, die Bilder: Silicon Laboratories www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 05 / 2013 19
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