Miniaturisierte Sensorelemente zur strukturintegrierten Feuchtigkeitsbestimmung

Abstract

Von den Parametern, die heutzutage standardmäßig zur Zustandsbestimmung von Materialien bestimmt werden, ist Feuchtigkeit eine am schwierigsten zu messende Größe. Die Feuchte wird aus der Umgebung des Materials aufgenommen, was meistens die Luft ist. So ist es wichtig die Feuchtigkeit der umgebenden Luft bei bestimmter Temperatur messen zu können. Der Feuchtegehalt von Feststoffen wird also entscheidend durch das Umgebungsklima beeinflusst. Ändert sich die relative Luftfeuchte in der Umgebung des Materials, ändert sich damit dessen Feuchtegehalt. Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit war es, eine nachhaltige Lösung zu erarbeiten, die basierend auf einem Sensorelement mit kleiner Elektrodenfläche mittels elektrischer Messungen (Strom-, Spannungs-, Kapazitätsmessungen oder Impedanzspektroskopie) den Feuchtigkeitsgrad in verschiedenen Materialien bestimmen kann. Diese Feuchtemessungen wurden in der Luft und in einem bestimmten Feststoff durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden goldbeschichtete Kupferbahnen in einer kammartigen Anordnung auf Leiterplattenebene entworfen und gefertigt. Für die Erfassung des Wasserdampfes wurden diese mit einem Polymer (Polyetherimid) mittels Eintauchen (Dip Coating) beschichtet, wodurch die Feuchtesensoren erzeugt wurden. Da das kapazitive Messprinzipam zielführendsten erachtet wurde, wurden Feuchtesensoren hergestellt und der Zeitverlauf der Sensorkapazität bei bestimmten Frequenzen bei Raumtemperatur untersucht. Im Rahmen der Luftfeuchtemessugen wurde zuerst das Zeitverhalten der Feuchtesensoren untersucht, woraufhin sich eine hohe Antwortzeit und eine kurze Erholungszeit ergeben haben. Im nächsten Schritt wurde die Kennlinie (Kapazität gegen relative Luftfeuchte) mehrerer Sensoren aufgenommen und verglichen. Zusätzlich wurden verschiedene Sensoreigenschaften (Reproduzierbarkeit, Hysterese) analysiert, bei denen sich eine gute Wiederholbarkeit und vernachlässigbare Hysteresefehler ergaben. Abschließend wurden frequenzabhängige Messungen durchgeführt, deren Ergebnisse das elektrische Verhalten der hergestellten Sensorelemente verdeutlicht haben. Die Materialfeuchtemessungen wurden in einer Holzart (Fichte) realisiert. Dafür wurde eine Messmethode verwendet, in der die Ermittlung der Holzfeuchte auf die Luftfeuchtemessung zurückgeführt wurde (hygrometrisches Verfahren). Während dieser wurde sowohl die Befeuchtung als auch die Entfeuchtung des Holzes ausgeführt. Als Ergebnis konnte die entsprechende Sorptionsisotherme bei Raumtemperatur dargestellt werden, welche direkt für Holzfeuchtemessungen eingesetzt werden konnte.

Among the parameters which are nowadays commonly used to determine the condition of materials, moisture is the most difficult to measure. The moisture is absorbed from the environment of the material, which is usually the air. Thus it is important to be able to measure the humidity of the surrounding air at a certain temperature. The moisture content of solids is therefore decisively influenced by the ambient climate. If the relative air humidity changes in the vicinity of the material, the moisture content of the material changes. The aim of this master thesis was to develop a sustainable solution that can determine the degree of moisture in different materials, based on a sensor element with a small electrode area by means of electrical measurements (current, voltage, capacitance or impedance spectroscopy). These moisture measurements were carried out in the air and in a certain solid. For this purpose, gold-coated copper strips were designed and manufactured in a comb-like arrangement on circuit board plane. For the detection of the water vapor, they were coated with a polymer (polyetherimide) by immersion (dip coating), whereby the moisture sensors were produced. Since the capacitive measuring principle was considered to be the most suitable, moisture sensors were built and the time course of the sensor capacitance at certain frequencies and room temperature was investigated. In the course of the humidity measurements, the time behavior of the moisture sensors was first investigated, resulting in a high response time and a short recovery time. In the next step, the characteristic (capacity against relative humidity) of several sensors was recorded and compared. In addition, various sensor properties (reproducibility, hysteresis) were analyzed, which showed good repeatability and negligible hysteresis errors. Finally, frequency-dependent measurements were carried out, of which the results clarified the electrical behavior of the produced sensor elements.