Uporaba polietersulfona za kapacitivni tankoplastni senzor relativne vlažnosti zraka Application of Polyetersulphone for Capacitive Thin Film Relative Humidity Sensor K. Požun, L. Koller, L. Irmančnik-Belič, IEVT, Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-11-22 Kot aktivno komponento večplastne senzorske strukture smo uporabili organski polimer polietersulton. Odlične fizikalne in električne lastnosti polimera so omogočile izdelavo senzorja vlage, ki je enostaven, zanesljiv in stabilen pri normalnih in višjih temperaturah delovanja. Senzor ima majhno histerezo, nizek temperaturni koeficient, kratek odzivni čas in dolgotrajno stabilno delovanje s toleranco 3% relativne vlažnosti (po 1000 urah pri temperaturi 40°C in 90% relativni vlažnosti zraka). Ključne besede: kapacitivni tankoplastni senzor, polietersulfon, senzor relativne vlažnosti zraka A capacitance type relative humidity sensor utilizing polyetersulphone sensing material has been fabricated to achieve reproducible relative measurments with long term stability even in hot and humidity conditions. The sensor showed a good performance with low hysteresis and low temperature coefficient of capacitance along with good stabiiity with less than 3% (r. h.) shift after 1000 hours of exposure to 40°C. 90% r. h. conditions. Key words: capacitive type sensor, polyetersuiphon, relative humidity sensor 1 Uvod V zadnjih letih se povečuje uporaba polimerov za ka-pacitivne senzorje relativne vlažnosti zraka. Najpomembnejša področja uporabe teh elementov so poleg klimatske tehnike, delovnih, bivalnih in skladiščnih prostorov, predvsem sodobne tehnologije, pri katerih sta pomembna predvsem čist in primerno vlažen zrak, ki ga spremljamo in ugotavljamo skozi celotni tehnološki proces. Uporabo in širitev na ta pomembna področja so omogočili njegova enostavna izvedba in uporaba ter stabilno, dolgotrajno in zanesljivo delovanje. Polimeri, ki so se do sedaj pokazali kot primerni za uporabo v senzorjih, so: celulozni aceto-butirat, polimetil metakrilat, poliamid in drugi. Senzorji, izdelani iz teh polimerov, imajo še vedno nekaj šibkih točk, vendar so kljub temu bolj uporabni od drugih, na tržišču dosegljivih senzorjev1-5. V težjih delovnih razmerah se njihova merilna zanesljivost zmanjša, zato so tam manj uporabni. V našem delu predstavljamo uporabo polietersulfona kot polimerno senzorsko strukturo, ki ima nekatere prednosti pred omenjenimi polimeri. Te so: boljše električne lastnosti, odpornost proti delovanju vlage pri višjih temperaturah in vplivu nekaterih topil, ki se nahajajo v tehnoloških procesih6"9. 2 Struktura in delovanje senzorja Paralelni elektrodi kondenzatorja sta naneseni na stekleno podlago z vmesno dielektrično plastjo, ki jo tvori polietersulfon. Spodnja elektroda kondenzatorja je iz zlitine NiCr, debeline 100 nm, zgornja je vodopre- 1 Kanil POŽUN. dipl.inž. Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko 1111 Ljubljana. Teslova 30 pustna tanka plast zlata. Shematski prikaz senzorske strukture je na sliki 1. Filter z majhnimi porami je prilepljen na odprtino v kovinskem ohišju, v katerega zapremo senzor. Tako oblikovano ohišje poskrbi za kratek odziv senzorja na spremembo relativne vlažnosti zraka in ga ščiti pred dimom in drugimi prašnimi delci. Električni kontakt obeh elektrod je izveden z vtaljenima prevodoma v stekleno podlago senzorja. Ka-pacitivnost senzorja relativne vlažnosti zraka se spreminja s spremembo vlage v zraku, zaradi katere poteka absorpcija ali desorpcija. Pri teh procesih se spreminja dielektričnost polimernega materiala, kar povzroči spremembo kapacitivnosti senzorja: AC = Ae eo S/l, (1) kjer pomeni: AC - spremembo kapacitivnosti senzorja Aa- spremembo dielektričnosti polimera (relativna dielektrična konstanta) S - površino elektrod 1 - debelino polimera eo - dielektrično konstanto 3 Materiali za senzor in njegova izdelava Strukturna formula polimera je prikazana na sliki 2. Polimer je bil razvit pred tridesetimi leti, ima dobre električne lastnosti, visokofrekvenčno stabilnost in je zelo obstojen pri višjih temperaturah na vlagi. Stabilen je predvsem zaradi svoje strukture, ki vsebuje sulfonsko skupino. Izdelava senzorja je naslednja: na stekleno podlago naparimo NiCr (spodnjo elektrodo) v vakuumu. Polimer polietersulfon raztopimo v naprej pripravljenem in zgornjo -lektrodo • pper electrode plaši poli nero pol yner I }yer spodn .> elektroda ower el ectrode steklena podlaga Q55 SGlfc'Str'Cfi®' elektktri l-iI kontakt electrical contact Slika 1: Sheinatski prikaz tankoplastnega kapacitivnega senzorja relativne vlažnosti zraka Figure 1: Sensor structure ogretem topilu, ki je sestavljeno iz kloroheksanola, N-di-metilformamida in metiletilketona. Tako pripravljen polimer nanesemo s centrifugo na steklene podlage, ki ga nato sušimo 2 uri pri 200°C. Na polimerno plast v vakuumu naparimo zgornjo elektrodo, ki je tanka porozna plast zlata. Le-to naparevamo pod kotom 75° do debeline 50 nm. Tako pripravljene senzorje lahko zaščitimo še s posebnim kovinskim ohišjem, ki jih varuje pred poškodbami. Ohišje točkovno pri varimo na kovinski okvir steklene podlage. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 r.v.[% ] -♦— absorpcija 1 —■— desorpcija 2 Slika 2: Strukturna formula polimera polietersulfona Figure 2: Chemical structure of polyethersulphone 4 Eksperimentalni rezultati Spremembo kapacitivnosti senzorja relativne vlažnosti zraka, izgubni kot, hitrost odziva in impendanco smo merili pri frekvenci 10 kHz z RCL merilnikom Pro-max MZ-705. Senzor smo merili v področju 10-90% relativne vlažnosti zraka in pri dveh izbranih temperaturah: 25°C in 40°C. Meritve električnih lastnosti senzorja relativne vlažnosti zraka pri temperaturi 25°C smo izvedli z uporabo nasičenih vodnih raztopin soli, ki so predpisane po standardu DIN 50 00810 za umerjanje senzorjev in merilnikov relativne vlažnosti zraka. Meritve pri temperaturi 40°C smo izvedli v klimatski komori firme Heraeus Voetsch 300. V nadaljevanju naših preskusov smo senzorje relativne vlažnosti zraka pustili določen čas v atmosferi z dodatki kvalitativno in kvantitativno izbranih topil ter merili njihovo stabilnost. Na sliki 3 je v diagramu prikazana sprememba kapacitivnosti senzorja vlage v odvisnosti od relativne vlažnosti. Krivulja 1 je posneta med absorpcijo vodne pare, krivulja 2 pa med desorpcijo vodne pare pri tem- Slika 3: Sprememba kapacitivnosti senzorja vlage v odvisnosti od relativne vlažnosti (10-90%) zraka pri konstantni temperaturi: T= 25°C. Krivulja I je bila posneta med naraščanjem vlage, krivulja 2 med njenim padanjem Figure 3: Humidity dependence of sensor capacitance at 25°C peraturi 25°C. Na sliki 4 je v diagramu prikazana sprememba kapacitivnosti senzorja vlage v odvisnosti od relativne vlažnosti. Krivulja 1 je posneta med absorpcijo vodne pare in krivulja 2 med desorpcijo vodne pare pri temparaturi 40°C. Temperaturna odvisnost kapacitivnosti je majhna in je 0,1%/°C relativne vlažnosti zraka. Odzivni čas senzorja je 30 sekund pri 25°C pri absorpciji in 270 40 50 60 r.v.[%] —absorpcija 1 - desorpcija 2 Slika 4: Sprememba kapacitivnosti senzorja vlage v odvisnosti od relativne vlažnosti (10-90%) zraka pri konstantni temperaturi: T= 40°C. Krivulja 1 je bila posneta med naraščanjem vlage, krivulja 2 med njenim padanjem Figure 4: Humidity dependence of sensor capacitance at 40°C 76 75 i - -b- -1 ■ -—o 1 ' --- --- 1 -a- " ' T 200 400 600 800 1000 cas[h] -90% r.v. - -75%r.v. -33% r.v. -12%r.v. 92 90 GT 89 & o 88 87 85 10 12 14 cas[mesec] -90% r.v. -75% r.v. -53%r.v. -33%r.v. -12% r.v. Slika 6: Sprememba kapacitivnosti v odvisnosti od časa enega leta zadrževanja na izbranih vrednostih relativne vlažnosti zraka in konstantni temperaturi 25°C Figure 6: Sensor drift under room conditions desorpciji vodne pare. Histereza pri obeh opravljenih preskusih pri 25° in 40°C v področju 10-90% relativne vlažnosti zraka je bila 0,5-1%. Dolgotrajna stabilnost senzorja vlage je bila merjena pri različnih vlažnostih zraka in dodatkih izbranih topil. Senzorji so bili 24 ur izpostavljeni različnim koncen- tracijam topil, kot so aceton, toluen, ksilen in butil acetat. Rezultati teh meritev so prikazani v tabeli 1. Izmerjene vrednosti spremembe relativne vlažnosti pa so v tolerančnem območju ± 2% relativne vlage. V diagramu na sliki 5 je prikazana sprememba kapacitivnosti v odvisnosti od časa trajanja, izbrane relativne vlažnosti zraka in temperature (40°C). V diagramu na sliki 6 je prikazana sprememba kapacitivnosti pri izbranih relativnih vlažnostih zraka v časovnem obdobju enega leta. V obeh diagramih sprememba kapacitivnosti ustreza toleranci manj kot 12% relativne vlažnosti zraka. Tabela 1: Rezultati meritev senzorjev Št. Razmere pri preskusu Slika 5: Sprememba kapacitivnosti v odvisnosti od časa 1000 ur zadrževanja na izbranih vrednostih relativne vlažnosti zraka in konstantni temperaturi 40°C Figure 5: Sensor drift under 40°C Odstopanje relat. preskusa vlage v % 1 temperatura 60°C, 1000 h ±2 2 temperatura 40°C, 1000 h, 90% r.v. ±3 3 aceton 200 ppm, 24 h ±2 4 toluen 100 ppm, 24 h ±2 5 ksilen 100 ppm, 24 h ±2 6 butil acetat 200 ppm, 24 h_±2_ 5 Sklep Razvili smo kapacitivni senzor relativne vlažnosti zraka. Uporabili smo polimer polietersulfon, ki omogoča linearno povezavo med kapacitivnostjo in relativno vlago. Uspelo nam je narediti porozno vrhnjo elektrodo, ki omogoča prehod zračne vlage in zato kratek odzivni čas senzorja. Dobljeni rezultati opravljenih preizkusov kažejo enostavno, zanesljivo in dolgotrajno delovanje ka-pacitivnega senzorja relativne vlažnosti zraka v normalnih in v težjih delovnih razmerah. 6 Literatura 1 S. Takeda, J. Appl. Phys„ 47, 1976, 12 2 G. Delapierre in ostali, Sensors and Actuators, 4, 1983, 97 3 M. Sato, JEE, 2, 1993, 60 4S. Takeda, Vacuum, 41, 1990, 1769 5P. Meakins, Phys. Rev., A38, 1988, 994 "A. Banovec, M. Kern, Zbornik SD-89. Nova Gorica, 1989, 185 7 M. Matsoguchi in ostali, Buli. Chem. Soc. Jpn., 67, 1994, 1, 46 8 K. Požun, B. Paradiž, Kovine, zlitine, tehnologije, 1994, 1-2, 431 9 K. Požun, B. Paradiž, J. Leskovšek, L. Irmančnik-Belič, Kovine, zlitine, tehnologije, 30, 1996, 1-2, 45 10 Standard DIN 50 008, Konstantklima ueber Waessrigen Loesungen Teil 1, Teil 2, Februar 1981