Microsensoren zur Betauungserkennung - CiS

Die Anlagerung von Wassermolekülen an eine feste Oberfläche beruht auf der Adsorption. Die Adsorptionsvorgänge
können auf Chemisorption und Physisorption zurückgeführt werden.
Der stärkere Prozess der Chemisorption führt zur Dissoziation der Wassermoleküle und Hydroxylgruppen, die in
der Oberfläche vorkommen. Die Chemisorption führt dazu, dass bei Raumtemperatur ein Festkörper stets mit
einer mindestens einlagigen Wasserschicht bedeckt ist. Weitere Wassermoleküle werden durch Ausbildung von
Wasserstoff-Brückenbildungen physikalisch adsorbiert. Dieser Prozess ist schnell und reversibel, d.h. diese
Wassermoleküle können bei geringeren Drücken oder steigender Temperatur leicht wieder entfernt werden.
Die Oberfläche wird durch Anlagerung von Fremdatomen, sogenannten Adsorbaten, modifiziert, es verändert
sich das Potential an der Oberfläche und somit auch die Energie der Oberflächenzustände.
Hydrophile Eigenschaften von Oberflächen werden durch polare Bindungen hervorgerufen, die eine gute Benetzbarkeit
mit Wasser und die Ausbildung einer Wasserhaut bewirken. Hydrophobe Eigenschaften von Oberflächen
werden durch unpolare Substituenten nach außen charakterisiert.
Befinden sich auf der Baugruppe hygroskopische bzw. sorptive Schichten, welche aufgrund einer Dampfdruckerniedrigung
zu einer Taupunkttemperaturerhöhung an der Oberfläche führen, kommt es eher zu einer Betauung,
als es das Umgebungsklima (Taupunkttemperatur und relative Feuchte) ausweist. Als dampfdrucksenkende
Stoffe, Kondensationskeime, wirken z.B. Verunreinigungen und Salze.
3. Verfahren zur Kondensationsmessung
Für Kondensationsmessungen werden gem. Stand der Technik optische als auch elektrische Meßmethoden
angeboten.
Optische Meßmethoden sind durch die Verwendung von Strahler- und Empfänger-Baugruppen für eine Plazierung
in elektronischen Baugruppen zu groß. Auch kann es durch die Betauung der Strahlerbauelemente zu einer
Messsignalverfälschung kommen. Nachteilig wirkt sich auch aus, dass die Reflexionsänderung mehr mit der
Flächenbedeckung als mit der Höhe der Wasserbedeckung einher geht.
Die Verwendung von Glasfasersystemen ist systemseitig sehr kostenaufwendig.
Polymerbeschichtete relative Feuchtesensoren, die auf kapazitiven Meßmethoden beruhen, zeigen nach einer
vollständigen Betauung starke Driften und zunehmende Hystereseerscheinungen. Verwendbare Messwerte
werden erst nach dem Abtrocknen wieder angezeigt.
4. CiS-Feuchte-Mikrosensoren
Für die messtechnische Beurteilung von Klima- und Betauungstests ist die Wahl der Messtechnik, d.h. die zum
Einsatz kommenden Mess- und Prüfverfahren entscheidend.
Die im CiS Institut für Mikrosensorik entwickelten und gefertigten Mikrosensoren zur Feuchtemessung basieren
auf einem Grundmodul. Dieses Grundmodul besteht aus einem in Silizium integrierten Streufeldkondensator,
einem Temperatursensor und einem integrierten Kapazitäts-Frequenz-Wandler. Kondensierter Wasserdampf
bewirkt aufgrund seiner Dielektrizitätskonstante eine Kapazitätserhöhung, die zu einer deutlichen Frequenzänderung
führt.
Basierend auf diesem Grundmodul werden Taupunktmeßgeräte, Taupunkt-Transmitter und Beschlagssensoren
angeboten.
Taupunktmessgeräte und Taupunkt-Transmitter (4...20 mA Ausgang, 12...30 V) auf der Basis des CCC*-Prinzips
(Condensate Controlled Capacitance nach Heinze) messen die Taupunkttemperatur im Bereich von –10°C bis
100°C.
Die absolut messenden Systeme haben den Vorteil, dass die absolute Menge des im Gas enthaltenen Wasserdampfes
(Taupunkttemperatur) die Messgröße darstellt, welche unabhängig von der Temperatur ist.
Mit Hilfe der gemessenen Taupunkttemperatur und der Umgebungstemperatur lassen sich über die Dampfdruckkurve
weitere thermodynamische Größen wie z.B. relative und absolute Feuchte, Enthalpie, Dampfdruck
und Mischungsverhältnis errechnen.
Neben bewährten Anwendungen von Feuchtemessgeräten sind die angebotenen Taupunktsensoren bestens
geeignet, die thermodynamischen Bedingungen in einem Klimaschrank bzw. einer Testkammer genau und reproduzierbar
zu erfassen.
Damit stehen zwei Prüfmethoden für Klima- bzw. Betauungstests zur Verfügung. Zum einen über die Messung
der Temperatur des Prüflings und der Taupunkttemperatur der angrenzenden Luft und zum anderen direkt mit
einem Betauungsfühler über geeignete Kondensatorstrukturen.
5. Mikrosensoren zur Betauungsserkennung
Der Betauungsfühler BTF CiS 11340 kann in modifizierter Ausführung zur Beschlags- bzw. Kondensationshöhendetektion
eingesetzt werden. Dieser Mikrosensor mit Abmessungen von 6,5 x 20 x 0,5 (in mm) stellt einen
monolithisch integrierten Streufeldkondensator dar, der ein Frequenzausgangssignal proportional zum Grad der
Betauung liefert. Optional kann eine Temperaturmessdiode integriert werden. Der Sensor arbeitet mit einer Betriebsspannung
von 5 V/DC in einem Temperaturbereich von –20 bis +85°C. Er weist eine hohe chemische Beständigkeit
gegen Säuren, Laugen und Lösungsmittel auf und lässt sich einfach reinigen.
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