Bild 1: Haarhygrometer mit nichtlinearer Skala.

Bild 1: Haarhygrometer mit nichtlinearer Skala.Silicon Laboratories

Die Messung der Luftfeuchtigkeit beruht auf der Messung von Temperatur, Druck, Masse oder einer mechanischen oder elektrischen Änderung in einer Substanz, sobald Feuchtigkeit absorbiert wird. Eine Feuchtigkeitsmessung kann dann aus der Kalibrierung und Berechnung einer gegebenen Messgröße hergeleitet werden. Hygrometer (Bild 1) verwenden ein Haar zur Messung der Luftfeuchte, wobei sich die Haarlänge mit dem Feuchtigkeitsanteil ändert. Heute kommen moderne elektronische Feuchtigkeitsmesser zum Einsatz, die die Kondensationstemperatur oder Änderungen elektrischer Kapazitäten oder Widerstände nutzen, um Feuchtigkeitsänderungen mit wesentlich höherer Genauigkeit zu messen.

Auf einen Blick

Durch die monolithische Integration und ein innovatives Design bietet der Si7005 von Silicon Labs eine kostengünstige und kompakte Lösung zur Messung der relativen Luftfeuchte und Temperatur in immer mehr Anwendungen, in denen die Luftfeuchtigkeit überwacht und geregelt werden muss – und das mit hoher Genauigkeit und langfristiger Zuverlässigkeit. Die Luftfeuchtigkeitsmessung hat in der Tat einen langen Weg hinter sich: vom Haar-Hygrometer bis zur Single-Chip-Lösung.

Allgemeine Sensoren zur Messung der relativen Luftfeuchte und vor allem jene auf Basis von kapazitiver Sensorik mit polymeren dielektrischen Materialien weisen besondere Anforderungen auf, die mit herkömmlichen (sensorlosen) ICs nichts gemeinsam haben. Zu diesen Anforderungen zählen:

  • Der Sensor muss bei der Montage auf die Leiterplatte geschützt sein, vor allem während dem Reflow-Löten. Anschließend muss der Sensor rehydriert werden.
  • Der Sensor muss während des gesamten Produktlebenszyklus gegen Beschädigung oder Verschmutzung geschützt sein.
  • Ein längeres Einwirken extremer Temperaturen und/oder Feuchtigkeit kann die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigen.
  • Eine Temperatur-Korrektur und Linearisierung kann für die gemessenen Feuchtigkeitswerte erforderlich sein.

Einige dieser Anforderungen ergeben sich aus den natürlichen Eigenschaften der verwendeten Polyimid-Folien, die in kapazitiven Feuchtesensoren verwendet werden. Andere durch die Öffnung des Sensorgehäuses, die das Die und die Sensorfolie der Umgebung aussetzt. CMOS-Fertigungsprozesse ermöglichen heute die Fertigung kapazitiver Feuchtesensoren, die einen kostengünstigen Schutz beziehungsweise eine Abdeckung für das Sensorelement ermöglichen. Bevor auf diese Einchip-Feuchtigkeitssensoren eingegangen wird, eine kurze Erläuterung der Prinzipien der relativen Luftfeuchtemessung.

Grundlagen der Luftfeuchtigkeitsmessung

Die Menge an Wasserdampf, die sich in der Luft befindet, kann erheblich variieren: von nahezu Null bis zum Sättigungspunkt. Unzureichende oder übermäßige Luftfeuchtigkeit beziehungsweise starke Änderungen können empfindliche Materialien und Objekte beschädigen. Menschen sind ebenfalls empfindlich gegenüber hoher Luftfeuchtigkeit, die zu Unbehagen führt. Der menschliche Körper nutzt die Verdunstungskühlung als primärer Temperatur-Regelmechanismus. Ist die relative Luftfeuchte hoch, nimmt auch die Menge an verdampftem Schweiß auf der Hautoberfläche zu, da sich die Dampfmenge in der Luft bereits nahe an der Sättigung befindet.

Der Mensch fühlt mehr den Wärmetransport weg vom Körper als die Temperatur selbst: wir empfinden es wärmer, wenn die relative Luftfeuchtigkeit hoch ist. Ist die Luftfeuchte so hoch, dass der Schweiß nicht mehr verdunsten kann, überhitzt sich der Körper, was zu Unbehagen führt. Eine Kombination aus hoher Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit ermöglicht eine effektivere Kühlung. Tabelle 1 listet die menschliche Wahrnehmung bei verschiedener Luftfeuchtigkeit auf.

Tabelle 1: Menschliche Wahrnehmung der relativen Luftfeuchtigkeit.

Tabelle 1: Menschliche Wahrnehmung der relativen Luftfeuchtigkeit.Silicon Laboratories

Viele Umgebungen werden meist nur temperaturüberwacht. Seit geraumer Zeit ist auch die Messung der Luftfeuchtigkeit immer wichtiger geworden. Eine Kontrolle der Luftfeuchtigkeit ist vor allem in den Bereichen Wohnung, Lagerung und Fertigung von Bedeutung. Die Reglung von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit ist entscheidend für die Konservierung vieler Materialien wie Medikamente, Lebensmittel, Stoffe und Holzprodukte.

Inakzeptable Luftfeuchtigkeitswerte tragen vor allem zusammen mit extremen Temperaturen zu einem hohen Materialverschleiß bei. Wärmeeinwirkung verschlechtert die Leistungsfähigkeit und hohe Luftfeuchte unterstützt schädliche chemische Reaktionen. Zusammen kann dies zu Schädlings- und Schimmelbefall führen. Eine extrem niedrige Luftfeuchte kann ebenfalls schädigende Auswirkungen haben: empfindliche Materialien trocknen aus und werden brüchig. Hohe Schwankungen in Temperatur und Luftfeuchte verursachen ebenfalls Schäden durch Ausdehnung und Kontraktion, was zu einem schnelleren Verschleiß führt.

Der Einbau und Betrieb geeigneter Klimaanlagen hilft, Normalbetriebs- und Konservierungsstandards einzuhalten, was den Materialverschleiß erheblich verringert. Um die Luftfeuchtigkeit zu regeln, Schäden oder Unbehagen zu vermeiden, oder um Ereignisse zu erkennen, die zu Produktschäden bei der Lagerung oder während des Transports entstehen, ist eine genaue Messung der Luftfeuchtigkeit entscheidend. Diese Messung sollte mit einer Komponente möglich sein, die sich einfach und kostengünstig in eine elektronische Regelung integrieren lässt.

Techniken zur Messung der Luftfeuchtigkeit

Luftfeuchtigkeit lässt sich auf verschiedene Arten quantifizieren. Der wichtigste Messwert für Umgebungsqualität ist die relative Luftfeuchtigkeit. Dabei handelt es sich um das Verhältnis tatsächlich vorhandenen Wasserdampfs in der Luft zu der Menge an Wasserdampf, die bei Sättigung vorhanden wäre, wenn die Luft keine weitere Feuchtigkeit aufnehmen kann. Die absolute Luftfeuchtigkeit definiert hingegen die Menge an Wasserdampf, die sich in einem Gesamtvolumen feuchter Luft bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck befindet.

Der Sättigungsgrad wird je nach Temperatur als Taupunkt oder Frostpunkt bezeichnet. Der Wert der relativen Luftfeuchtigkeit kann sich selbst bei geringen Temperaturänderungen erheblich unterscheiden: Bei einer Temperaturänderung um 1 °C (bei 35 °C und 75 % relative Luftfeuchte) ändert sich der Wert der relativen Luftfeuchtigkeit um 4 %. Eine höhere Temperatur erhöht die Fähigkeit der Luft, mehr Feuchtigkeit aufzunehmen; eine niedrigere Temperatur verringert diese Möglichkeit.

Die Fähigkeit der Luft, mehr Feuchtigkeit aufzunehmen, steigt mit höheren Temperaturen. Somit nimmt auch die relative Luftfeuchte zu, sobald die Luft wärmer wird. Wird feuchte Luft gekühlt, sinkt deren Möglichkeit, Feuchte aufzunehmen, während sich die relative Luftfeuchte erhöht. Die Menge an Wasserdampf in der Luft, die erforderlich ist, damit der Taupunkt erreicht wird, nimmt mit steigender Temperatur zu. Ein Taupunkt bei 10 °C entspricht zum Beispiel einer relativen Luftfeuchte von 31 % bei 32 °C.

Prinzipiell erfolgt die Messung der relativen Luftfeuchte direkt. In der Praxis ist sie jedoch nicht so einfach. Einige Messgeräte bieten eine schlechte Genauigkeit und weichen über der Zeit ab (driften). Andere verschmutzen im Laufe der Zeit oder unterliegen einer Hysterese. Für viele herkömmliche Geräte ist daher eine regelmäßige Kalibrierung erforderlich, die umständlich und teuer sein kann.

Das bekannteste Instrument zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit ist das Psychrometer. Es ist eher durch seine „Trocken-/Feuchtkugel“-Methode bekannt. Ein Psychrometer besteht aus zwei Thermometern: eines mit einer herkömmlichen Trockenkugel und eines mit einem feuchten Tuch, das die Kugel umhüllt, genannt Feuchtkugel. Die Verdunstung aus dem feuchten Tuch senkt die Temperatur des Feuchtkugel-Thermometers.

Das Feuchtkugel-Thermometer zeigt eine niedrigere Temperatur als das Trockenkugel-Thermometer, wenn die Luft nicht mit Wasserdampf gesättigt ist. Aus einer Tabelle lässt sich dann die relative Luftfeuchtigkeit über die beiden Temperaturmessungen herleiten. Mit einem Mikrocontroller lässt sich dies automatisieren – der Nachteil eines psychrometrischen Sensors ist jedoch die langsame Ansprechzeit und die physikalische Größe. Auch die Wartung ist problematisch, da eine Thermometer-Kugel stets feucht gehalten werden muss und eine ausreichende Luftzirkulation erforderlich ist.

Die genaueste Methode zur Feuchtigkeitsmessung erfolgt heute über ein Hygrometer mit gekühltem Spiegel. Dabei kommt ein optoelektronischer Mechanismus zum Einsatz, der Kondensation auf der Spiegeloberfläche feststellt. Der Spiegel wird auf einer genau gemessenen Temperatur gehalten und gekühlt, damit sich Kondensation bilden kann. Die Kondensation streut das Licht einer LED, was zu einem plötzlichen Abfall des Ausgangssignals der Empfänger-Fotodiode führt. Die Temperatur, bei der die Kondensation beginnt, stellt den Taupunkt dar, aus dem sich der Feuchtigkeitswert ableitet. Mit einer Mikrocontroller-basierten Rückkopplungsschleife lässt sich der Taupunkt kontinuierlich verfolgen. Allerdings muss der Spiegel stets sauber gehalten werden, und auch eine Möglichkeit, die Kondensation nach der Messung zu beseitigen, muss bestehen. Durch ihre mechanischen Systeme sind Hygrometer mit gekühltem Spiegel sehr sperrig, teuer und unpraktisch für Großserien in Consumer-, Automotive- und häuslichen Anwendungen.

Mechanische Hygrometer sind wesentlich kleiner, aber weniger genau – meist im Bereich ±10 %. Gängige Geräte enthalten ein Haar, das unter Spannung gehalten wird. Steigt der Feuchtigkeitsgehalt der Luft wird das Haar flexibler und dehnt sich aus. Diese Änderung lässt sich mit einem Dehnungsmesser erfassen. Mit steigender Feuchtigkeit dehnt sich das Haar zunehmend.

Elektronische Luftfeuchtigkeitsmessung

Elektronische Geräte zur Messung der Luftfeuchtigkeit erübrigen die genannten Größen- und Kostenprobleme älterer Techniken. Aber auch hier weisen herkömmliche Designs bestimmte Einschränkungen auf. Um Luftfeuchtigkeit zu messen, kommen meist Techniken zum Einsatz, die auf der Änderung des Widerstandes oder der Kapazität eines hygroskopischen Materials beruhen. Diese Art von Sensor findet sich heute in den meisten Anwendungen, da der technologische Fortschritt hier eine genaue, kompakte, stabile und stromsparende Lösung ermöglicht hat.

Ein kapazitiver Sensor besteht aus zwei Elektroden, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Sobald der Wasserdampf-Anteil in der Luft steigt, folgt auch die dielektrische Konstante des Sensors. Die Kapazität ändert sich proportional zum Feuchtigkeitsgrad. Ein Widerstandssensor besteht aus zwei Elektroden, die durch eine leitfähige Schicht voneinander getrennt sind. Die Leitfähigkeit der Messschicht ändert sich dabei in Bezug auf eine veränderte Luftfeuchtigkeit.

Neue Techniken zur Fertigung dünner Folien machen diese Sensoren genau, stabil und einfach in großen Mengen herstellbar. Die Materialwahl ermöglicht schnelle Reaktionszeiten mit geringer Hysterese. Ein Polyimid-Film, der in Dicken von weniger als 5 µm gefertigt wird, reagiert in weniger als 10 s auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit und bietet eine hohe Stabilität.

Die Genauigkeit eines elektronischen Sensors ist durch seine Drift über der Zeit begrenzt. Diese entsteht durch große Temperatur- und Feuchtigkeitsabweichungen oder durch Verschmutzungen. Solche Faktoren müssen von den Entwicklern bei der Wahl der geeigneten Sensorlösung mit beachtet werden.

Um die Genauigkeit bei der Messung der relativen Luftfeuchtigkeit zu erhöhen, ist es hilfreich, die Umgebungstemperatur zu messen und eine Temperaturkompensation im Host-Rechner durchzuführen (eine einfache Berechnung zweiter Ordnung). Um den Taupunkt oder die absolute Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, muss auch die Umgebungstemperatur gemessen werden. Mit der genauen Messung der Umgebungstemperatur erhöht sich auch die Genauigkeit der Luftfeuchtigkeits-Messung. Ein Fehler von 1 °C bei der Temperaturmessung bedeutet in etwa ein Fehler von 1 °C bei der Berechnung des Taupunkts. Um eine genaue Messung zu erzielen, sollte die Temperatur- und Luftfeuchtigkeits-Messung so nahe wie möglich zusammen erfolgen – idealerweise auf dem gleichen Chip. Diese Nähe ist in herkömmlichen elektronischen Sensordesigns nur schwierig zu erreichen.

Entwicklung elektronischer Sensoren zur Messung der Luftfeuchtigkeit

Bild 2: Beispiele von MCM-/Hybrid-/Modul-Sensorlösungen zur Messung der Luftfeuchtigkeit.

Bild 2: Beispiele von MCM-/Hybrid-/Modul-Sensorlösungen zur Messung der Luftfeuchtigkeit.Silicon Laboratories

Viele der heutigen elektronischen Sensoren basieren auf diskreten Widerstands- und Kapazitätssensoren, Hybrid- und Multichip-Modulen (MCMs) (Bild 2). Dieser herkömmliche Ansatz hat die Nachteile hohe Bauteilanzahl, große Stellfläche und eine arbeitsintensive kundenseitige Kalibrierung. Ein weiteres Problem bei diskreten Sensoren ist, dass sie meist nicht kompatibel zu SMD-Fertigungsabläufen sind.

Diskrete und Modul-Lösungen weisen einen hohen Stromverbrauch auf und nehmen viel Platz auf der Leiterplatte ein, was die Integration in Geräte erschwert. Dies kann problematisch für Anwendungen wie das Asset Tracking und in tragbaren medizintechnischen Geräten sein. Ein Feuchtigkeitssensor sollte idealerweise ein monolithisches Design aufweisen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und den Stromverbrauch sowie die Größe zu verringern.

Ein monolithischer Sensor muss aber auch heutige Fertigungstechnik unterstützen. Da das Sensorelement der Umgebung ausgesetzt ist (um seine Funktion zu gewährleisten), können auch Beschädigungen oder Verschmutzungen auftreten – vor allem während der Leiterplattenmontage. Der Sensor muss sauber und unbeschädigt bleiben. Eine Möglichkeit ist, die Sensoröffnung vor der Leiterplattenmontage mit einer temperaturfesten Schutzfolie abzudecken und anschließend wieder zu entfernen. Dies ist aber sehr arbeitsintensiv und erhöht die Fertigungsdauer und -kosten.

Selbst mit einem solchen Schutz sind einige Sensoren nicht kompatibel zu hochvolumigen Reflow-Lötprozessen. Der extreme Temperaturzyklus beim Löten kann die Leistungsfähigkeit des Luftfeuchtigkeitssensors verschieben – ein Effekt, der in den Genauigkeitsspezifikationen des Herstellers nicht immer enthalten ist. Die maximale Genauigkeit wird somit nur erzielt, wenn sich der Sensor in einem Sockel befindet. Ein Sockel erhöht allerdings wieder die Stückliste und die Arbeitskosten, da der Sensor nach dem Löten der Leiterplatte in den Sockel gesteckt werden muss.

Der Luftfeuchtigkeitssensor benötigt auch einen Schutz während der gesamten Produktlebensdauer. Eine Art von Abdeckung oder Filter ist erforderlich, was die Sensor-Reaktionsfähigkeit beeinträchtigen kann. Ein sorgfältiges Design der Sensor-Abdeckung kann dieses Problem verringern und auch den Schutz des Sensors während der Fertigung erübrigen.

Neueste Sensorlösung mit Schutzabdeckung

Bild 3: Optionale Abdeckung zum Schutz des Luftfeuchtigkeitssensors Si7005 über die gesamte Lebensdauer.

Bild 3: Optionale Abdeckung zum Schutz des Luftfeuchtigkeitssensors Si7005 über die gesamte Lebensdauer.Silicon Laboratories

Der Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor Si7005 von Silicon Labs adressiert viele Design- und Fertigungsherausforderungen diskreter, hybrider und modularer Sensorlösungen. Der Si7005 verwendet eine hydrophobe Abdeckung, die als lebenslanger Schutzmechanismus für den empfindlichen Sensor darunter dient. Die Abdeckung aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) ist ein hydrophober Filter und schützt gegen Staub und die meisten Flüssigkeiten. Wasserdampf wird durchgelassen, was sicherstellt, dass der Filter die Ansprechzeit des Sensors nicht beeinträchtigt. Da die optionale Abdeckung für den Si7005 (Bild 3) ab Werk installiert ist, muss bei der Leiterplattenmontage keine Zeit und kein Arbeitsaufwand zum Aufbringen oder Entfernen einer Schutzfolie aufgewendet werden. Und die Abdeckung muss nicht in das Produktdesign mit einbezogen werden.

Der Si7005-Sensor basiert auf einer Polyimid-Folie, um Feuchtigkeit zu erkennen. Diese dünne, empfindliche Folie wird über einem Metallfinger-Kondensator aufgebracht. Ein Präzisions-Bandlückenreferenz-Schaltkreis befindet sich auf dem gleichen Die wie der Feuchtigkeitssensor und sorgt für die Temperaturmessung. Das gemeinsame Unterbringen auf dem gleichen Die garantiert, dass die Temperatur und die Feuchtigkeit nahe beieinander gemessen werden, was eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.

Der auf dem Chip befindliche Temperatursensor garantiert hohe Genauigkeit, wenn der Si7005 im Bereich des Umgebungs-Taupunkts eingesetzt wird. Falls sich auf dem Sensor Kondenswasser sammelt, lässt sich eine integrierte Heizung aktivieren, um den Sensor zu trocknen und den Betrieb wieder herzustellen, sobald der Sensor den Taupunkt überschritten hat. Der Temperatursensor garantiert auch, dass die MCU, die die Feuchtigkeits-Messdaten verarbeitet, die Heizung aktiviert.

Die langfristige, alterungsbedingte Messdrift des Si7005 beträgt weniger als 0,25 % der relativen Luftfeuchte pro Jahr. Dieser Wert ist weniger als die Hälfte der Drift anderer Bausteine. Die angegebene Genauigkeit berücksichtigt die Auswirkungen des Reflow-Lötens. Als monolithische Lösung wird der Si7005-Sensor ab Werk kalibriert. Dieser arbeitsreiche Schritt erübrigt sich somit beim Kunden nach der Leiterplattenmontage.

Bild 4: Der Sensor Si7005 ist eine Single-Chip-Lösung zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit.

Bild 4: Der Sensor Si7005 ist eine Single-Chip-Lösung zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit.Silicon Laboratories

Der Si7005 mit seiner monolithischen Integration vereinfacht das Systemdesign und bietet die Funktionen sonst wesentlich größerer Module in einem kompakten IC-Gehäuse (4 mm x 4 mm QFN). Neben den Sensorelementen enthält der Si7005 auch einen A/D-Wandler (ADC), Signalverarbeitung, nichtflüchtigen Speicher für Kalibrierdaten und eine I²C-Schnittstelle (Bild 4). Die hohe Integration erhöht die Robustheit und Zuverlässigkeit, verringert die Kosten und Entwicklungszeit und vereinfacht das Leiterplattendesign. Das monolithische Design verringert auch den Stromverbrauch auf 1 µA, wenn eine Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung pro Minute erfolgt. Der Sensor eignet sich damit für stromsparende Anwendungen.

Die gesamte Stückliste des Si7005 für die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit besteht aus nur zwei Überbrückungskondensatoren – im Vergleich zu Dutzenden von Bauteilen, die für eine diskrete Lösung mit gleicher Funktion erforderlich sind.