Multifunktionssensoren Sensor für Feuchte und Temperatur

Doppelsensoren, empfindlich für Luftfeuchte und Temperatur, haben einen speziellen Aufbau: Die Feuchtigkeit muss in den Sensor eindringen und eine Kapazitätsänderung des Kondensators hervorrufen. Welche Rolle spielt die Temperatur in diesem Kontext?

Mit der Serie »HTU21X« [1] stellt Amsys auf der Messe Sensor+Test 2016 miniaturisierte Multifunktions­sen­soren vor. Die Doppelsensoren auf MEMS-Basis messen die relative Luftfeuchte und die Temperatur. Beide Messwerte werden im I²C-Datenformat ausgegeben. Die OEM-Sensoren (Original Equipment Manufacturer) haben ein QFN-Gehäuse (Quad Flat No Leads).

Kapazität und Permittivität

HTU21X kombiniert eine kapazitive Feuchtigkeitsmesszelle mit einem elektronischen Temperatursensor. Kapazitive Sensoren basieren prinzipiell auf einem Kondensator, der aus zwei Elektroden (parallel zueinander angeordnete Platten) aufgebaut ist. Die Kapazität C des Kondensators bestimmt man gemäß der folgenden Gleichung. Für einen Kondensator mit Isolierschicht zwischen den Platten gilt:

C = ε0·εr·A/d

(mit ε0 = elektrische Feldkonstante, εr = relative Permittivität, A = Kondensatorfläche und d = Abstand der Platten).

Die Permittiviät ε = ε0·εr gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an. Die relative Permittivität εr eines Stoffes, der sich zwischen zwei leitenden Kondensatorplatten befindet, sagt aus, um das Wievielfache sich die Kapazität gegenüber einem Kondensator im Vakuum oder an Luft erhöht. Die Permittivität ist keine Konstante. Sie ist frequenz- und feuchtigkeitsabhängig. Wird ein hygroskopisches Isoliermaterial, z. B. ein Polymer zwischen die beiden Platten des Kondensators eingebracht (Bild 1), ändert sich εr in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit. Die resultierende Änderung der Kapazität wird ausgewertet.

Aufbau des Sensors

Damit die Feuchte von außen in das Polymermaterial diffundieren kann, besteht die Oberseite der Kondensatorplatte aus porösem Metall. Gleichzeitig fungiert die Oberseite als Schutz vor Verunreinigungen. Die untere Elektrode ist aus rostfreiem Stahl. Zwischen diesen beiden Elektroden befindet sich das feuchtigkeitssensitive Polymer. Das Polymer reagiert reproduzierbar auf Feuchteabsorption und -desorption und bewirkt eine Kapazitätsänderung des Kondensators.
Neben der kapazitiven Feuchtigkeitsmesszelle, hat der Sensor einen Temperaturfühler. In der Auswerteschaltung (ASIC) ist der Temperaturfühler als integrierte Bandgap-Schaltung umgesetzt. Man benötigt die Temperaturinformation, um die elektronische Temperaturkompensation im Sensor vorzunehmen und profitiert zusätzlich von der Existenz eines unabhängigen Temperatursensors.

Signalverarbeitung

Die Messzelle besteht aus einem Kondensator mit variabler Kapazität. Ein C/U-Verstärker erfasst das Ausgangssignal und wandelt es in elektrische Spannung um. Dann folgt die A/D-Umsetzung und  Signalbearbeitung mit einem internen Mikroprozessor (Bild 2). Die Digitalisierung übernimmt ein CMOS-ASIC, das die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte programmierbar zu 8/12-bit- oder 12/14-bit-Daten für die Übertragung mit dem I²C-Protokoll aufbereitet. Ein externer Prozessor rechnet die digitalen Werte der Feuchtigkeit in Werte der relativen Feuchte um. Mit Hinzunahme der Temperatur lässt sich auch die absolute Feuchtigkeit oder die Taupunkttemperatur berechnen.