DE69419471T2

DE69419471T2 - Kapazitiver Feuchtesensor, insbesondere für Radiosondenbenutzug , sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69419471T2
Application number: DE69419471T
Authority: DE
Inventors: Ari Apukkunen; Jorma Ponkala
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: FI98567B; DE69419471D1; US5557042A; US5553495A; EP0647833B1; EP0647833A1; FI934266A0; FI934266L; FI98567C; JP3625873B2; JPH07198654A

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitativen Feuchtesensor, insbesondere für Radiosondenbenutzung, der ein Substrat aufweist, das aus einem isolierenden Material hergestellt ist, wobei auf das Substrat für die Bildung und den Anschluß des kapazitativen Sensorwiderstandes erforderliche Elektroden und Kontaktmuster aufgebracht sind. Zwischen den kapazitativen Sensorwiderstandselektroden ist ein isolierender und aktiver Film angeordnet, dessen elektrische Dielektrizitätskonstante eine Funktion des Betrages an durch den aktiven Film absorbierten Wassers ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines solchen Impedanzsensors.
Im Stand der Technik sind eine Anzahl verschiedener elektrischer Temperatur- und Feuchtesensoren bekannt, deren Impedanz sich als eine Funktion der zu messenden Menge verändert. Solche Feuchtesensoren sind beispielsweise aus den US-Patenten Nr. 3,168,829 und 3,350,941, und aus dem finnischen Patent Nr. 48,229 der Antragstellerin bekannt.
Das finnische Patent Nr. 48,229 steht mit dem in der vorliegenden Erfindung betroffenen Stand der Technik in Verbindung, wobei in diesem Patent ein kapazitativer Feuchtesensor beschrieben wird, bei dem das nichtleitende Isoliermaterial ein Polymerfilm ist, dessen Dielektrizitätskonstante eine Funktion des durch den Polymerfilm absorbierten Wassers ist.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, werden auch für die Temperaturmessung kapazitative Sensoren verwendet, die normalerweise auf der Tatsache basieren, daß die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials zwischen den Kondensatorplatten temperaturabhängig ist, wobei in diesem Fall der von den Klemmen des Sensors abgenommene kapazitative Widerstand auch temperaturabhängig ist.
Bei den oben beschriebenen Sensoren und auch bei den anderen, auf der Veränderung der Impedanz basierenden Sensoren treten unerwünschte Ereignisse auf, worin Gefrieren und Benetzung des Sensors, Strahlungsfehler, Langsamkeit der Sensoren und Hysterese mit enthalten sind.
Um das oben abgehandelte Problem zu lösen, ist vom Stand der Technik die Ausstattung der Sensoren mit verschiedenen mechanischen Schutzschilden bekannt. Es wurden auch Versuche unternommen, den Problemen vorzubeugen, indem die Sensoren mit einer Heizung ausgestattet wurden. Bei geheizten Sensoren wird eine prä zise Temperaturmessung erforderlich, die ihrerseits wieder Probleme verursacht.
Hinsichtlich der neuesten, durch die Antragstellerin ausgeführten Entwicklungsarbeit, die mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht und eng damit verbunden ist, wird Bezug genommen auf die folgenden finnischen Patentanmeldungen: Nr. 921449 (eingereicht am 1. April 1992), Nr. 933701 (eingereicht am 23. August 1993) und Nr. 933702 (eingereicht am 23. August 1993). Die in diesen Anmeldungen beschriebenen Bauweisen und Verfahren können ebenfalls in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Darüber hinaus war bei den Feuchtesensoren des Standes der Technik die Notwendigkeit vorhanden, eine Weiterentwicklung in bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit der Sensoren anzustreben.
Die Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik für die betroffenen Sensoren waren anspruchsvoll und enthielten eine Anzahl von Schritten, insbesondere dann, wenn ein Sensor maximaler Schnelligkeit und Genauigkeit anvisiert wurde, was gewöhnlich eine sehr kleine Größe und genaue Konstruktionsmaße sowie eine gute Kontrolle der verschiedenen Parameter des Herstellungsverfahrens erfordert.
Darüber hinaus wird Bezug genommen auf die JP-A-57 201 827, die ein Temperaturerkennungsgerät definiert. In einer Temperatursensorleitung wird ein innerer Elek trodenleiter 2 auf dem Kern vorgesehen, eine hochpolymere temperaturerkennende Materialschicht 3, die aus einem Polymerverbundmaterial besteht, das Hauptionen enthält, ist auf dem Leiter 2 vorgesehen, und ein Leiter 4 für die Außenelektrode ist außen vorgesehen. In diesem Fall handelt es sich bei der Struktur eher um eine Sandwich-Struktur als um eine rechteckige koaxiale Struktur wie beim Impedanzsensor nach der neuen Erfindung. Weiterhin definiert die Offenlegung in der JP-Bezugsschrift nur einen Temperatursensor, jedoch keinen Feuchtesensor, und es werden in dieser Schrift keine bestimmten Dimensionierungsdefinitionen erwähnt.
Die US-A-3 443 293 bezieht sich auf ein Verfahren für die Herstellung von Kondensatoren in einem Endlosverfahren. Dieses Patent offenbart ein Impedanzelement mit einem Fasersubstrat. Dieses Patent offenbart jedoch keinen Sensor und ganz bestimmt keinen Sensor in der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung spezifizierten Art.
Die GB-A-2 234 820 offenbart einen mittels Kristallsubstrattechnologie hergestellten Sensor sowie ein Verfahren für die Herstellung des Sensors. Der Sensor weist eine nichtleitende Schicht auf und mindestens zwei Elektrodenschichten, in der diese eingeschlossen ist. Der Nichtleiterfaktor der Schicht verändert sich, wenn sich die Feuchtigkeit der Schicht verändert. Dieses Patent weist nichts auf, was auf eine Faserstruktur der Art hinweist, die durch die vorliegende Erfindung definiert wird.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Weiterentwicklung der Konstruktion des Feuchtesensors und der Herstellungsverfahren der Impedanzsensoren nach dem Stand der Technik, um die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden, und die oben erwähnten Ziele zu erreichen, sowie diejenigen, die später noch erwähnt werden.
Zu diesen Zwecken ist der Sensor in Übereinstimmung mit der Erfindung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat des Sensors eine längliche, feste Kernader ist, wobei auf und rund um die Kernader die Elektroden und der aktive und isolierende Film aufgebracht sind;
- der Durchmesser DS der Ader im Bereich von Ds 10 um ... 2 mm liegt; und
- der kapazitative Sensorwiderstand im Bereich von CM 0,1 pF ... 1000 pF liegt.
Andererseits ist das Herstellungsverfahren der Sensoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Kombination der folgenden Schritte (a), (b), (c), (d) und (e) umfaßt, die in der vorgegebenen Folge ausgeführt werden:
(a) auf der ununterbrochenen Kernader aus isolierendem Material werden leitende, untere Elektroden in ei ner bestimmten axialen Entfernung zueinander aufgedampft;
(b) die in Schritt (a) erhaltene, ununterbrochene Kernader wird mit einem für die Impedanzmessung aktiven Material beschichtet;
(c) die in Schritt (b) erhaltene, ununterbrochene Kernader wird mit leitenden Oberflächenelektroden beschichtet, die zumindest teilweise gegenüber den Spalten zwischen den unteren Elektroden und zumindest teilweise gegenüber den unteren Elektroden angeordnet sind;
(d) die auf diese Weise hergestellte Kernader wird mit einer Schicht aus isolierendem Material beschichtet; und
(e) die in Schritt (c) erhaltene, ununterbrochene Sensorader wird in Stücke geschnitten, um daraus die Impedanzsensoren herzustellen.
Der Sensor in Übereinstimmung mit der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine drahtförmige Ausführung, kleine Größe und kleine Masse, was zu einem Sensor mit schnellen Reaktionszeiten beiträgt. Die kreisförmige Querschnittsform und die kleine Größe des Sensors sind ebenfalls ein Vorteil bei der Beseitigung des Auftretens von Gefrieren. Die kleinen und günstigen Formen des Sensors können bereits ausreichend sein, um das Problem des Kondensierens und Gefrierens von Feuchtigkeit zu beseitigen, wenn notwendig gemeinsam mit einer besonderen Oberflächenbehandlung. Wenn diese Mittel jedoch nicht ausreichen, ist es möglich, den Sensor in Übereinstimmung mit der Erfindung mit einer wirksamen und schnellen Heizung auszustatten, wobei in diesem Fall die bei einem Feuchtesensor erforderliche Temperaturmessung genau und schnell ist, da die inneren und äußeren Wärmeübertragungseigenschaften des Sensors vorteilhaft sind. In einem solchen Fall wird die Temperaturmessung in der aus dem Stand der Technik bekannten Art als Ausgangswert bei der Korrekturberechnung verwendet, um eine die Feuchtigkeitsmessung verfälschende Wirkung zu beseitigen.
Die in dem jeweiligen Fall am besten geeignete Sensorbauweise hängt von der Anwendungsart des Sensors in Übereinstimmung mit der Erfindung ab. Der Sensor kann bei der Benutzung ständig, periodisch oder auf andere Art und Weise kontrolliert geheizt werden. Der Feuchtesensor in Übereinstimmung mit der Erfindung ist geeignet für die Verwendung wirksamer Heizimpulse mit einer Dauer in der Größenordnung von nur einer Millisekunde, wobei in diesem Fall schnelle Meßanwendungen möglich sind. Die Temperaturmessung kann dauerhaft stattfinden oder im Wechsel mit der Feuchtigkeitsmessung. Hinsichtlich der zyklischen Heizung und Temperaturmessung wird Bezug genommen auf die finnische Patentanmeldung Nr. 933702 der Antragstellerin. Es ist auch möglich, die Sensorkonstruktion ohne Heizung und ohne Temperaturmessung auszuführen. Ein Schutz des Sensors wird aufgrund der kleinen Größe des Sensors nicht unbedingt benötigt. Die Abschirmungen an sich sind Kondensationszentren und produzieren Probleme bei der Feuchtigkeitsmessung.
Die Sensorbauweise in Übereinstimmung mit der Erfindung ermöglicht bei der Herstellung die Verwendung einer ununterbrochenen Aderrolle und macht es einfach, die Ader in Sensorstücke zu zerschneiden und die Sensoren zu verwenden, wenn diese an ihren Enden mit Kontakten versehen sind. Die Kernader kann auf verschiedene Arten gebildet werden. Es ist möglich, ausschließlich Glasfasern zu verwenden, oder es kann im Inneren des Glases ein Heizwiderstand und/oder Temperaturmeßsensor vorhanden sein. Für ein Temperaturmeßgerät ist auch ein Miniaturthermistor geeignet. Das Glas selbst kann ebenfalls als der Nichtleiter eines kapazitativen Temperatursensors fungieren, wobei die Kernader gleichzeitig der Heizwiderstand und eine der Elektroden des kapazitativen Temperaturmeßwiderstandes sein kann, während die auf der Ader angeordnete Metallbeschichtung die andere Elektrode darstellt. Als Grundmaterial für den Kern ist es auch möglich, ein anderes geeignetes Material zu verwenden, wie beispielsweise Plastik.
Beim Herstellungsverfahren der Erfindung werden auf die Kernader dünne Metallbereiche aufgedampft, wobei die Bereiche als kombinierte Boden- und Kontaktelektrode fungieren, wenn der Sensor an seine Umgebung angeschlossen ist. Auf diese Konstruktion wird ein dünner Polymerfilm oder Gleichwertiges aufgebracht. Auf diesen Plastikfilm wird die Oberflächenelektrode aufgedampft, wobei durch diese Elektrode Feuchtigkeit in den Polymerfilm eindringen kann. Die Oberflächenelektrode ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie zwei aufeinanderfolgende untere Elektroden teilweise überlappt, und der nicht durch eine Oberflächenelektrode abgedeckte Teil der unteren Elektrode als Kontaktbereich fungiert, wenn der Sensor an seine Umgebung angeschlossen ist. Innerhalb des Umfangs der Erfindung sind Bauweisen anderer Art auch möglich. Die Elektroden müssen keine einstückigen Oberflächen aufweisen und sich um den gesamten Kern herum erstrecken, können jedoch aus zwei oder sogar mehr Teilen bestehen.
Insbesondere dann, wenn das Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, erhält man einen Sensor in Übereinstimmung mit der Erfindung mit geringen Kosten und einfacher Handhabung. Der Sensor in Übereinstimmung mit der Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung in Radiosonden bei Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit, doch der Feuchtesensor in Übereinstimmung mit der Erfindung kann auch in der Industrie für die Feuchtigkeitsmessung sogar unter anspruchsvollen Bedingungen verwendet werden sowie für die Wetterbeobachtung oder Gleichwertiges auf dem Boden. In diesem Zusammenhang sollte jedoch hervorgehoben werden, daß der Umfang der Erfindung ebenfalls andere Sensoren außer kapazitativen Feuchtesensoren umfaßt, wie beispielsweise widerstandsbehaftete oder kapazitative Temperatursensoren und andere entsprechende Impedanzsensoren.
Eine erhöhte Länge und reduzierte Dicke der Sensorader verbessert normalerweise die Bauweise des Feuchtesensors, da hierdurch Strahlungsfehler reduziert werden können und eine störende Anhaftung eines Wassertropfens schwieriger wird, und selbst wenn ein Wassertropfen anhaften sollte, dessen relative Wirkung auf die Vergrößerung des Bereiches der Oberflächenelektrode reduziert wird.
Wenn ein Heizdraht und/oder Temperaturmeßdraht innerhalb der Kernader in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird, sollten die Spalten zwischen den Elektroden so klein wie möglich bemessen sein, damit die Bildung eines kapazitativen Widerstandes zwischen der Oberflächenelektrode und dem im Kern angeordneten Draht minimiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert mit Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die in den zugehörigen Zeichnungen veranschaulicht werden, wobei die Erfindung keinesfalls auf die Details dieser Ausführungen beschränkt ist.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer mittels des Herstellungsverfahrens der Erfindung hergestellten Sensorader, wobei von der Ader die Sensoren in Übereinstimmung mit der Erfindung abgeschnitten werden.
Fig. 2A ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1.
Fig. 2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1.
Fig. 2C ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 1.
Fig. 3A stellt eine zentrale Längssschnittansicht einer bevorzugten Sensorbauweise in Übereinstimmung mit der Erfindung dar.
Fig. 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3A.
Fig. 4A, 4B, 4C, 4D und 4E sind Schnittansichten, die alternative, unterschiedliche Bauweisen der Kernader darstellen, die beim Herstellungsverfahren der Erfindung verwendet wird.
Fig. 5 ist eine Blockdiagrammdarstellung verschiedener Herstellungsschritte der Kernader, die im Sensor in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Aufdampfungsgerätes, das mit Rollen und sich drehenden Teilen versehen und dafür vorgesehen ist, die unteren Elektroden im Herstellungsverfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung herzustellen.
Fig. 7A zeigt den Maskenteil im Gerät, wie in Fig. 6 gezeigt.
Fig. 7B zeigt dasselbe wie Fig. 7A, und zwar in Richtung der Führungsöffnung des Maskenteils gesehen.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Endlosgerätes auf der Grundlage des Aufrollens einer Faser, das im Herstellungsverfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird, wobei mit diesem Gerät die mit Elektroden versehene Faserader mit einem aktiven Polymerfilm beschichtet wird.
Fig. 9 ist eine zentrale Längsschnittansicht einer zweiten, mittels des Herstellungsverfahrens in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellten Sensorader, wobei von dieser Ader die Sensoren in Übereinstimmung mit der Erfindung abgeschnitten werden können.
Fig. 10 ist eine Mittelachsenschnittansicht einer Version des Sensors in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Fig. 11 ist eine Mittelachsenschnittansicht einer koaxialen Sensorbauweise in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Zu Beginn und hauptsächlich mit Bezugnahme auf Fig. 1, 2A, 2B und 2C werden die Hauptmerkmale des Herstellungsverfahrens und des Sensors in Übereinstimmung mit der Erfindung kurz beschrieben.
Mittels des Verfahrens in Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine ununterbrochene Sensorader 100 hergestellt. Von dieser Sensorader 100 werden Stücke in Querrichtung an den Punkten R-R abgeschnitten, wobei die Stücke fertige Feuchtesensoren sind, nachdem mögliche Anschlußteile hergestellt wurden. Der Feuchtesensor wird auf eine dünne Kernader 10 aufgebracht, die als Substrat des Sensors dient. Die Kernader 10 weist natürlicherweise einen kreisförmigen Querschnitt auf und ihr Durchmesser Ds 2rs ist sehr klein und liegt in der Regel im Bereich von Ds 10 um ... 2 mm, in Radiosonden vorzugsweise im Bereich von Ds 50 um ... 200 um. Auf die Kernader 10 wurden in den in Fig. 1 angegebenen Bereichen F untere Elektroden 11 aufgebracht, die auch als Kontaktteile fungieren. Auf die unteren Elektroden 11 und auf die Teile der Kernader 10, die von den Elektroden freibleiben, wurde ein Polymerfilm 12 oder Gleichwertiges aufgebracht. Der Polymerfilm 12 fungiert als aktiver Teil des kapazitativen Sensorwiderstandes CM. Die Dielektrizitätskonstante &epsi; des Polymerfilms 12 ist eine Funktion des durch den aktiven Film absorbierten Wassers, so daß CM = f(RH) ist. Auf den Polymerfilm 12 wurde in den Bereichen P eine Oberflächenelektrode 13 aufgebracht, die so dünn ist, daß sie von der Feuchtigkeit durchdringbar, jedoch elektrisch ununterbrochen ist. Die Sensorader 100 wird in der Mitte des Bereiches F der unteren Elektroden 11 in Stücke geschnitten und der Polymerfilm 12 wird in den Bereichen E entfernt, so daß Anschlußbereiche gebildet werden, an die die Meßdrähte für den kapazitativen Widerstand CM angeschlossen werden.
Nach Fig. 1 werden in den Bereichen C&sub1; und C&sub2; zwischen der unteren Elektrode 11 und der Oberflächenelektrode 13 kapazitative Widerstände gebildet, deren Nichtleiter der Polymerfilm 12 ist.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B eine bevorzugte beispielhafte Ausführung der Bauweise und der Bemessung des Sensors in Übereinstimmumg mit der Erfindung sowie die Wirkungsweise des Sensors beschrieben. Die zylindrischen Kondensatoren C&sub1; und C&sub2;, die in den Bereichen beider Enden der Oberflächenelektrode 13 gebildet werden, werden in Reihe geschaltet, wenn der kapazitative Sensorwiderstand CM zwischen den Klemmen 19 gemessen wird. Mit den in Fig. 3A gegebenen Messungen C&sub1; = C&sub2; = C gilt in diesem Fall CM = C/2. Bei der Bauweise nach Fig. 3A kann die aktive Länge 1 des Sensors 1 zwischen den kapazitativen Komponentenwiderständen C&sub1; und C&sub2; auch auf eine bestimmte Art anders als 1/2 und 1/2 geteilt werden, d. h. die kapazitativen Widerstände C&sub1; und C&sub2; können, verglichen mit anderen, von verschiedener Größenordnung sein, was sogar vorteilhaft sein kann, da in einem solchen Fall eine Verbindung mit dem Boden nicht so störend ist.
Der kapazitative Widerstand C eines zylindrischen kapazitativen Widerstandes ist theoretisch:
dabei ist:
&epsi; = Dielektrizitätskonstante des Mediums
l = Länge
ru und rs = äußere und innere Radien
Typischerweise befindet sich die Dielektrizitätskonstante &epsi;r (&epsi; = &epsi;r&epsi;o) im Bereich von &epsi;r 2 ... 5. Die Dicke des Polymerfilms 12, d. h. ru-rs beträgt typischerweise einige wenige Mikrometer.
Bei jeder Sensoranwendung kann der kapazitative Sensorwiderstand in Übereinstimmung mit den Anforderungen der speziellen Anwendung hauptsächlich durch die Veränderung des axialen Maßes 1 bemessen werden.
Nachfolgend werden die größten Veränderungsbereiche verschiedener Parameter bei der Dimensionierung des Feuchtesensors und die bevorzugten Bereiche derselben bei Radiosondenanwendungen gegeben.
rs 5 um ... 1 mm, vorzugsweise rs 25 um ... 100 um
ru 5 um ... 1 mm, vorzugsweise rs 25 um ... 100 um
l 0,01 mm ... 100 mm, vorzugsweise l 0,1 mm ... 40 mm
LO 0,1 mm ... 100 mm, vorzugsweise LO 0,5 mm ... 5 mm
L 0,1 mm ... 20 cm, vorzugsweise L 1 cm ... 10 cm
Der kapazitative Widerstand CM, der an den Klemmen 19 des in Fig. 3A und 3B gezeigten Sensors gemessen wird, beträgt CM 0,1 pF ... 1000 pF, bei Radiosondenanwendungen vorzugsweise CM 2 pF ... 500 pF.
Nachfolgend werden mit Bezugnahme auf Fig. 4A bis 4E verschiedene alternative Bauweisen der Kernader 10, die das Substrat des Sensors in Übereinstimmung mit der Erfindung bildet, beschrieben. Entsprechend Fig. 4A ist die Kernader 10 eine Faser aus Glas oder ausschließlich aus einem anderen Isoliermaterial. Entsprechend Fig. 4B befindet sich in der Kernader 105 ein Widerstandsdraht 14, der in die Glasfaserader 10a eingearbeitet ist, wobei der Widerstandsdraht als Heizwiderstand für den Sensor und/oder für die Temperaturmessung des Sensors verwendet werden kann. In der in Fig. 4C gezeigten Kernader 10C ist der Kern 10b aus dielektrischem Keramikglas hergestellt, das bei der Temperaturmessung des Sensors als der Nichtleiter agiert. Die äußere Schicht 16 besteht aus einer Glasbeschichtung oder einer anderen Isolierschicht. Hinsichtlich der Details dieser Bauweise wird Bezug genommen auf die finnische Patentanmeldung Nr. 921449 früheren Datums (eingereicht am 1. April 1992) der Antragstellerin. In der in Fig. 4D gezeigten Kernader 10D sind im Inneren der Glasfaserader 10a zwei parallele Heizwiderstandsdrähte 14a und 14b angeordnet, die als Widerstände für die Aufheizung des Sensors und/oder für die Temperaturmessung dienen. Die äußere Schicht besteht aus Glas oder einer anderen Isolierschicht 16.
In der in Fig. 4E gezeigten Kernader 10E befindet sich in dem Glaskern 10a ein Heizwiderstandsdraht 14 und außerhalb des Glaskerns 10 ist ein Widerstandsdraht 14c zum Zwecke der Temperaturmessung herumgewickelt. Die Funktionen der Widerstandsdrähte 14 und 14c können auch umgekehrt werden. Die äußere Schicht 16 ist eine metallisierte Schicht oder eine Glasbeschichtung. Der Draht 14c kann ein geeigneter Metalldraht sein, wie beispielsweise ein Platindraht.
Hinsichtlich Fig. 4A bis 4E sollte noch hervorgehoben werden, daß darin ausdrücklich Kernadern 10; 10B, 10c; 10D; 10e gezeigt werden, die als das Substrat des Sensors fungieren, wobei auf den Adern die unteren Elektroden 11, der Polymerfilm 12 und die Oberflächenelektroden 13 weiterverarbeitet werden. Hinsichtlich der Details der in Fig. 4C gezeigten Bauweise und Verfahren, bei denen ein dielektrisches Keramikglas als Kern 10b verwendet wird, wird Bezug genommen auf die finnische Patentanmeldung Nr. 921449 der Antragstellerin. Bei der in Fig. 4C gezeigten Bauweise kann die Messung des kapazitativen Widerstandes des Sensors, die von der Temperatur abhängig ist, zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden 15 ausgeführt werden, wie in der finnischen Patentanmeldung der Antragstellerin beschrieben, oder zwischen einer zylindrischen Elektrode 15 und einer Mittelelektrode, wobei die Mittelelektrode auch aus einem Widerstandsdraht 14 bestehen kann.
Es ist ebenfalls möglich, verschiedene Kombinationen und gemischte Bauweisen in Übereinstimmung mit Fig. 4B bis 4E zu verwenden.
Fig. 5 zeigt das Produktionsverfahren der Kernader als Blockdiagramm. Das Ziehen der Glasfaser basiert auf einer an sich bekannten Technologie. Dies betrifft auch die Beschichtung einer Ader mit Glas, beispielsweise mittels eines Schmelztiegels, wobei das geschmolzene Glas und die Ader durch das Loch gezogen werden. Es ist auch möglich, zwei Adern mit Glas mittels eines ähnlichen Schmelztiegels so zu beschichten, daß die Adern innerhalb des Glases separat bleiben. Die Beschichtung mit Glas kann auch mittels Glaspaste durchgeführt werden. Die Beschichtung der Glasfaser mit Metall kann als Vakuumverdampfung oder mittels Leiterpasten ausgeführt werden. Es kann eine Isolierschicht auf ein metallbeschichtetes Glas beispielsweise mittels eines perforierten Schmelztiegels mit niedrigschmelzendem Glas oder mittels Pastenbeschichtung oder durch chemische Verfahren aufgebracht werden und einige andere Isolierschichten können durch Untertauchen in einer Flüssigkeit aufgebracht werden.
In Fig. 6 bis 8 werden einige Geräte schematisch veranschaulicht, mittels derer eine in Übereinstimmung mit Fig. 5 hergestellte Kernader 10 mit unteren Elektroden 11 ausgestattet und mit einer aktiven Polymerbeschichtung oder Gleichwertigem beschichtet werden kann.
Auf die Kernader 10 werden untere Elektroden 11 aus Metall aufgedampft, wobei die Elektroden auch als Kontaktbereiche mit der Umgebung des Sensors fungieren. Die Vakuumverdampfung findet beispielsweise statt, so daß die Ader in der in Fig. 6 gezeigten Art und Weise von der Rolle 2% auf die Rolle 28b schrittweise in Übertragungen unveränderlicher Länge bewegt wird. Zwischen den Rollen 28a und 28b ist die Ader 100 gerade und bewegt sich durch die Verdampfungsmaske 21. Die Funktion der Maske 21 liegt darin, die Bereiche der Ader 10 zu schützen, die nicht mit Metall beschichtet sind. Damit die Metallisierung rund um die Ader 10 aufgebracht werden kann, kann die Ader 10 entweder um ihre Längsachse in der Maske 21 gedreht oder mehrere Verdampfungsquellen 30 verwendet werden. In Fig. 6 sind die Rollen 28a, 28b zum Drehen der Ader 10 auf Rahmenteilen 27a und 27b angebracht, die ihrerseits mittels horizontaler Wellen 26 und mittels Achswellen 24a, 24b an den Enden des Maskenteils 21 angebracht sind, so daß sie sich um eine horizontale Achse drehen können, wobei die horizontale Achse mit der Reihe von Löchern 25 in der Maske 21 übereinstimmt, durch die die Ader 10 von der Startrolle 28a auf die Aufnahmerolle 28b bewegt wird. Im Prinzip besteht die Verdampfungsmaske 21 aus einer Anzahl von Rohren 22, die in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Ader 10 bewegt sich durch die Reihe von Löchern 25 in den Rohrstücken 22 und die Metallisierung wird in den Spalten hergestellt, in denen die Rohre 22 die Ader nicht schützen. Die Metallverdampfung findet als Vakuumverdampfung von einer Quelle 30 statt, so daß die Ausrüstung 20 innerhalb einer Verdampfungshaube 29 positioniert wird. Weiterhin enthält die Ausrüstung 20 einen optischen Sensor als Hilfe für die Maskenausrichtung, wenn dies notwendig sein sollte.
Die Ader 10, die im Schritt der Sensorherstellung hergestellt wurde, die in Fig. 6 und 7 gezeigt wird, wird in dem in Fig. 8 gezeigten Gerät mit einer dünnen Polymerschicht beschichtet, deren Polymer-PL als feuchtigkeitsempfindliches Isoliermaterial des gebildeten kapazitativen Sensors fungiert, wobei die Dielektrizitätskonstante des Materials eine Funktion des durch den Film absorbierten Wassers ist. Die Beschichtung erfolgt durch die Übertragung der Ader 10 von der Rolle 30a auf die Rolle 30b bei unveränderlicher Geschwindigkeit. Zwischen den Rollen 30a und 30b wird die Ader 10 in Polymer-PL in dem Becken 31 untergetaucht, das eine geeignete Lösungskonzentration enthält. Im unteren Teil des Beckens 31 befindet sich eine Führungsrolle oder Stange 32, über deren Nut 32a die Ader 10 in dem Becken 31 erst nach unten und dann nach oben geführt wird. Die Trocknung erfolgt in einem Ofen 33 vor der Aufnahmerolle 30b der Ader 10. Das Polymer-PL kann auch durch die Verwendung eines Schmelztiegels auf die Ader aufgebracht werden, durch den die Ader gezogen wird.
Auf die Ader 10, die in dem Herstellungsschritt erhalten wird, der in Fig. 8 gezeigt wird, werden die Oberflächenelektroden 13 auf dieselbe Art und Weise aufge dampft, wie die unteren Elektroden 11 in dem in Fig. 6 und 7 gezeigten Schritt aufgedampft wurden. Zu Beginn wird die Position der Oberflächenelektrode 13 zwischen den zwei unteren Elektroden 11 und den teilweise überlappenden unteren Elektroden korrekt ausgerichtet.
Nach dem letzteren Schritt wird die komplette Sensorader 100 an den Punkten R-R in der Mitte der unteren Elektroden 11 abgeschnitten, um daraus die Sensoren herzustellen (Fig. 1). Wenn die Sensorader 100 Sensorelemente enthält, sind verschiedene Ablösungsverfahren, Ätzungen usw. notwendig, damit die Kontaktbereiche vom Kern freigelegt werden können. Die Ablösung kann z. B. durch Ätzen, beispielsweise mittels eines dem in Fig. 8 gezeigten ähnlichen Systems erfolgen. Die elektronische Verbindung des Sensors erfolgt in erster Linie mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffes. Als Abschirmung können vorzugsweise Epoxydharze verwendet werden. Bei der Herstellung des Sensors kann zusätzlich eine Anzahl verschiedener Verfahrensschritte notwendig sein, beispielsweise Behandlungen in einem Ofen, chemische Beschichtungen, Ätzungen usw. Sie können mittels Geräten ausgeführt werden, die denjenigen in Fig. 6 und 8 ähnlich sind.
Platin ist beispielsweise als Material für den Heizdraht 14 gut geeignet. Der Widerstand des Heizwiderstandes 14 liegt in der Regel im Bereich von 1 ... 5000 Ohm, vorzugsweise 1 ... 1000 Ohm. Der Widerstand eines für die Temperaturmessung verwendeten Drahtes, beispielsweise eines Platindrahtes, liegt in der Regel im Bereich von 1 ... 3000 Ohm, vorzugsweise 10 ... 1000 Ohm. Wenn eine kapazitative Temperaturmessung verwendet wird, bewegt sich der Bereich des kapazitativen Widerstandes typischerweise in derselben Größenordnung wie bei Feuchtigkeitsmessungen.
In Fig. 9 wird eine alternative Sensorader gezeigt, die mittels eines Verfahrens in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde und aus der Sensorstücke an den Punkten R-R zwischen der unteren Elektrode 11 und der Oberflächenelektrode 13 geschnitten werden. Die zylindrische untere Elektrode 11 und die entsprechende koaxiale Oberflächenelektrode 13 sind an ihren Enden so ineinander angeordnet, daß ein zylindrischer kapazitativer Widerstand C gebildet wird, wobei ein Polymerfilm 12 oder Gleichwertiges den Nichtleiter darstellt. Der kapazitative Sensorwiderstand C wird an einem Ende des Stückes der Sensorader durch das Freilegen der unteren Elektrode 11 im Bereich K gebildet und die Verbindung mit der Oberflächenelektrode 13 erfolgt von dem entsprechenden Ende des Stückes der Sensorader im Bereich K.
In Fig. 10 befindet sich innerhalb der Ader 10 aus Isoliermaterial ein leitender Kerndraht 14A, an den die Oberflächenelektrode 13 an einem ihrer Enden 13a elektrisch angeschlossen wird. Der Punkt 13a und die Schnittstelle, die in der Nähe des Kerndrahtes 14A angeordnet sind, werden beispielsweise mittels Epoxydharz oder Gleichwertigem geschützt. Die Verbindung des Sensors, wie in Fig. 10 gezeigt, erfolgt von einem Ende 14A' des Kerndrahtes 14A und von dem nicht bedeckten Ende 11a der unteren Elektrode 11 her. Der aktive Polymerfilm 12 oder Gleichwertiges kann sich ebenfalls bis außerhalb der Oberflächenelektrode 13 erstrecken.
Fig. 11 zeigt eine koaxiale Sensorbauweise, bei der ein Ende 16a des Stückes der Sensorader mittels Epoxydharz oder Gleichwertigem gegen Feuchtigkeit geschützt wird. Auf dem Kern 10 befindet sich eine zylindrische untere Elektrode 11 und auf dieser Elektrode ein zylindrischer aktiver Film 12 und auf dem Film eine zylindrische Oberflächenelektrode 13. Die Teile 10, 11, 12 und 13 sind koaxial zueinander. Der elektrische Anschluß erfolgt von den Enden 11a und 13a der Elektroden 11 und 13 her. Der Anschlußbereich muß nach dem Anschließen mittels Epoxydharz oder Gleichwertigem gegen Feuchtigkeit geschützt werden. In Fig. 10 kann der Kerndraht 14A, wenn er nicht für die Feuchtigkeitsmessung benötigt wird, für das Aufheizen des Sensors und/oder für die Temperaturmessung verwendet werden. Die in Fig. 10 und 11 gezeigten Bauweisen bieten den Vorteil, daß der elektrische Anschluß des Sensors von einem Ende des Sensors allein ausgeführt werden kann, was den Anschluß des Sensors an seine Umgebung erleichtert. Der Anschluß kann beispielsweise mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffes erfolgen, wobei es in diesem Fall möglich ist, Klebstoffe zu verwenden, die gleichzeitig durch die nichtleitende Schicht 12 hindurchätzen, oder die Schicht kann auf andere Weise entfernt werden.
Oben wurden einige beispielhafte Ausführungen beschrieben, die nach der gegenwärtigen Erfahrung und Einschätzung zu bevorzugen sind. Es sollte jedoch hervorgehoben werden, daß der Erfindungsgedanke auch auf verschiedene Arten ausgeführt werden kann, die sich von den oben gegebenen beispielhaften Ausführungen unterscheiden. Die Sensorader 100 kann auch so hergestellt werden, daß jedes Stück der Sensorader eigene Paare unterer Elektroden 11 aufweist, wobei sich zwischen deren äußeren Enden ein freier Spalt befindet, an dem das Abschneiden (R-R) der Sensorader 100 ausgeführt wird. Außerdem sind die unteren Elektroden 11 und die Oberflächenelektroden nicht notwendigerweise einstückige zylindrische Teile, sondern können aus Mustern anderer Art und sogar aus separaten Komponentenmustern bestehen.
Nachfolgend werden die Patentansprüche aufgeführt und die verschiedenen Details der Erfindung können innerhalb des in den Patentansprüchen definierten Umfangs dargestellten Erfindungsgedankens variieren und sich von dem oben nur beispielhaft Ausgeführten unterscheiden.

Claims

1. Kapazitativer Feuchtesensor, insbesondere für Radiosondenbenutzung, der folgendes aufweist:

- ein Substrat (10 ... 10E), das aus einem isolierenden Material hergestellt ist, wobei auf das Substrat für die Bildung und den Anschluß des kapazitativen Sensorwiderstandes (CM) erforderliche Elektroden und Kontaktmuster (11, 11a, 13) aufgebracht sind,

- einen zwischen den kapazitativen Sensorwiderstandselektroden (11, 13) angeordneten, isolierenden und aktiven Film (12), dessen elektrische Dielektrizitätskonstante (&epsi;) eine Funktion des Betrages an durch den aktiven Film absorbierten Wassers ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat des Sensors eine längliche Kernader ist, wobei auf und rund um die Kernader (10; 10B, 10C, 10D, 10E) die Elektroden (11,13) und der aktive und isolierende Film (12) aufgebracht sind;

- der Durchmesser Ds der Ader (10; 10B; 10C; 10D; 10E) im Bereich von Ds 10 um ... 2 mm liegt; und

- der kapazitative Sensorwiderstand im Bereich von CM 0,1 pF ... 1000 pF liegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Kernader des Sensors aus nichtleitendem Keramikglas besteht, das als das Dielektrikum für die Messung der Temperatur des Sensors dient;

- in Verbindung mit der Kernader Kontaktmuster oder Gleichwertiges vorgesehen ist, zwischen denen der temperaturabhängige kapazitative Widerstand gemessen wird; und dadurch, daß

- die äußere Schicht (16) der Kernader aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Glasschicht und aus einer anderen isolierenden Schicht besteht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kreisförmigen Abschnitt der Kernader (10 ... 15) der Sensor im wesentlichen kreisförmig, symmetrisch und im Verhältnis zur Längsmittenachse der Sensorader (10) im wesentlichen koaxial ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Kernader (10) zylindrische, untere Elektroden (11) befinden, die in einer bestimmten Entfernung (LO) zueinander in Längsrichtung der Kernader so angeordnet sind, daß auf den unteren Elektroden (11) ein isolierender Film (12) ist, und daß auf dem isolierenden Film (12) eine zylindrische Oberflächenelektrode (13) ist, die so dünn ist, daß Feuchtigkeit durch sie hindurchdringen kann, jedoch elektrisch ununterbrochen ist, daß die unteren Elektroden (11) und die Oberflächenelektrode (13) sich so erstrecken, daß sie sich gegenseitig teilweise auf einer bestimmten axialen Dimension (1) überlappen, daß der zu messende, kapazitative Widerstand (CM) aus einer Hintereinanderschaltung der zwei zylindrischen kapazitativen Widerstände (C&sub1;, C&sub2;) zwischen den unteren Elektroden (11) und der Oberflächenelektrode (13) gebildet wird, und daß der zu messende kapazitative Widerstand (CM) zwischen den unteren Elektroden (11) vorzugsweise zwischen deren Endbereichen (11a) gemessen wird.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Inneren der Kernader (10B; 10C; 100; 10E) einer oder mehrere Widerstandsdrähte (14; 14a, 14b) angeordnet sind, die für die elektrische Beheizung des Sensors und/oder für die Messung der Sensortemperatur auf der Grundlage der Abhängigkeit des Widerstandes des Widerstandsdrahtes (14; 14a, 14b) von der Temperatur verwendet werden.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf und um die Kernader (10E) herum ein gewickelter Widerstandsdraht angeordnet ist, der für die Beheizung und/oder für die Temperaturmessung verwendet wird.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser Ds 50 um ... 200 um beträgt, und daß der kapazitative Sensorwiderstand CM im Bereich von CM 2pF ... 500 pF liegt.

8. Verfahren für die Herstellung eines Impedanzsensors nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine Kombination der folgenden Schritte (a), (b), (c), (d) und (e) umfaßt, die in der vorgegebenen Folge ausgeführt werden:

(a) auf der ununterbrochenen Kernader (10; 10B; 10C; 10D; 10E) aus isolierendem Material werden leitende, untere Elektroden (11) in einer bestimmten axialen Entfernung (LO) zueinander aufgedampft;

(b) die in Schritt (a) erhaltene, ununterbrochene Kernader (10) wird mit einem für die Impedanzmessung aktiven Material beschichtet;

(c) die in Schritt (b) erhaltene, ununterbrochene Kernader (10) wird mit leitenden Oberflächenelektroden (13) beschichtet, die zumindest teilweise gegenüber den Spalten (LO) zwischen den unteren Elektroden (11) und zumindest teilweise gegenüber den unteren Elektroden (11) angeordnet sind;

(d) die auf diese Weise hergestellte Kernader wird mit einer Schicht aus isolierendem Material (16) beschichtet; und

(e) die in Schritt (c) erhaltene, ununterbrochene Sensorader (100) wird in Stücke geschnitten, um daraus die Impedanzsensoren herzustellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (a) und (b) ausgeführt werden, indem die Kernader (10) von Startrolle (28a, 30a) auf eine Aufnahmerolle (28b, 30b) gerollt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schritt (c) erhaltene, ununterbrochene Sensorader (10) in Sensoren an den unteren Elektroden (11) zerschnitten wird, vorzugsweise im wesentlichen in ihrer Mitte, und daß Kontaktflächen (11a) in einem Ablöse- oder Ätzvorgang am Ende der unteren Elektroden (11) freigelegt werden, und daß elektrische Anschlüsse (19) des Sensors vorzugsweise mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs mit den Kontaktflächen verbunden werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ununterbrochene Sensorader (10) an den Spalten zwischen den unteren Elektroden (11) und den Ober flächenelektroden (13), die in bezug auf die Elektroden (11,13) frei ist, in Sensoren geschnitten wird.

12. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der unteren Elektroden (11) in Übereinstimmung mit Schritt (a) so erfolgt, daß die Kernader (10) von einer Startrolle (28a) auf eine Aufnahmerolle (28b) schrittweise durch ein Maskenteil (21) aufgerollt wird.

13. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der mit unteren Elektroden (11) versehenen Kernader (10) in Übereinstimmung mit Schritt (b) so erfolgt, daß die Kernader (10) von einer Startrolle (30a) auf eine Aufnahmerolle (30b) durch ein Becken (31) hindurchgeleitet wird, das eine Überzugsmittellösung (PL) oder Schmelzgut enthält, oder durch einen gleichwertigen Schmelztiegel zum Hindurchziehen hindurchgezogen wird, wobei dies vorzugsweise bei gleichbleibender Geschwindigkeit geschieht, woraufhin die beschichtete Ader (10), wenn notwendig, durch eine vor der Aufnahmerolle (30b) angeordnete Trocknungsstufe (33) hindurchgeleitet wird.

14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in Schritt (a) verwendete, ununterbrochene Kernader (10) durch die Anordnung eines Widerstandsdrahtes (14; 14A; 14B; 14C) in dessen Inneren und/oder auf der Ader hergestellt wird.

15. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrens der Glaskern (10b) aus nichtleitendem Glas hergestellt wird, das als das Dielektrikum des für die kapazitative Temperaturmessung im Sensor verwendeten kapazitativen Widerstandes angeordnet wird.