Messmethoden zur Feuchte und Betauung Barbara March, Arndt Steinke

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1 Messmethoden zur Feuchte und Betauung

2 Inhalt 1 Relative und absolute Gasfeuchte 2 Modell Kondensation 3 Dynamik der Kondensation und Verdunstung 4 Kondensationssimulation 5 Mikrokondensationssensorik 6 Feld- und Laborversuche 7 Zusammenfassung 2

3 1 Relative und absolute Gasfeuchte Systematik von Gasfeuchtemessverfahren nach Art des Energieaustausches zwischen Messmedium und Messsystem thermodynamic equilibrium of energy between medium and sensor energyadsorption by the watermass of medium at transmission stationary equilibrium static equilibrium vapor pressure vapor pressure vapor pressure vapor pressure e F <= e e F >= e e F = e e F = e electromagnetic properties properties of acoustic waves temperature temperature temperature temperature temperature t F >= t av t F <= t av t F <= t av t F >= t av t F = t av λ < 0,01nm λ > 0,01nm 300< λ<800nm electrolytic sensors psychrometer dewpoint mirror hygrometer dewpoint sensor LiCl- dewpoint sensor monolithic integrated dewpoint sensor hygrometer capacitiv electrical conductivity gravimetric hair fiber carbon coated L- hygrometer micro-waves hygrometer acoustic hygrometer Quelle: Heinze,D.;Einheitliche mathematische Beschreibung von Gasfeuchtemeßverfahren, Technische Universität Ilmenau,1980 3

4 1 Relative und absolute Gasfeuchte Kenngrößen und Berechnung: nach VDI/VDE 3514 Blatt 1 Taupunkttemperatur td ( C) diejenige Temperatur, bei welcher der aktuelle Wasserdampfpartialdruck gleich dem Sättigungsdampfdruck ist und bei der Kondensation einsetzt e ' = e w ( p, t d ) Relative Feuchte in Bezug auf Wasser Uw ( %) Wasserdampfdichte, auch absolute Feuchte dv ( kg/m3) Mischungsverhältnis r (kg/kg) in Prozent angegebenes Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks zum Sättigungsdampfdruck bei Sättigung über Wasser und bei gleichem Gesamtdruck und gleicher Temperatur Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zum Volumen, in dem sich das feuchte Gas befindet. Zmix ist der Kompressionsfaktor des Mischgassystems. Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zu der Masse des trockenen Gases U = e w e' 100 ( t) fw( p, t) 1 e' dv = 0, Zmix T e' r = 0,62198 p e' 4

5 1 Relative und absolute Gasfeuchte Dampfdruckkurve Arbeitspunkte für Feuchtemessverfahren auf der Grundlage des thermodynamischen Energiegleichgewichtes 5

6 1 Relative und absolute Gasfeuchte Absolute Feuchtemessung mit CCC - Taupunktsensor Dewpoint temperature Interface Transducer Signal preprocessing Sensor environment Condensate Detection Systeme (incl. intell. Errorcompensation... Temperature Detection System Controller Mounting Modules Cooling element CCC - condensate controlled capacitance nach HEINZE 6

7 2 Modell Kondensation Modell des Taupunktsensors tav - Indikator m w0 f Regler F R (p) 7 Leistungsendstufe t u f 4 m w α K * A F ēf 1 α K* A F* γ p * Cpa* P av * ( D a )n 1 m w p * l v 2 P - v - P p P w - P K P s 1 p c F 3 t F UF 11 e w UF 12 e w ewoexp( a w 5 * t f bw + t ) f Magnus Formel Quelle: A.Steinke, B.March, D.Heinze, H.Hansch, The CCC*- dewpoint sensor-as a concrete example of design and industrial realization of monolithic transducers, SENSOR EXPO `98/Chicago 7

8 2 Modell Kondensation Genauigkeit der Taupunkttemperatur unter Berücksichtigung der Thomson`schen Gleichung e Kondensationsebene theoretische -e F Temperaturmeßstelle r = 2,5µm K U F e w U= exp(- 2 σ 0 χ K ρ w R v T) Passivierung Temperatursensor Kühlelement - gekrümmte Wasseroberflächen (Tropfen) führen zu Dampfdruckerniedrigungen bei Taupunkthygrometern mit Tropfenkondensation und damit zu Abweichungen der Taupunkttemperatur gegenüber Modellen mit nur ebener Wasseroberfläche. - Optimum zwischen Dampfdruckerniedrigung und Wärmewiderstandserhöhung liegt bei einem Tropfendurchmesser von ca. 5µm. - Steuerung der Kondensation / Verdunstung auf der Chipoberfläche auf die entsprechende Tropfengröße mit Controller - Positionierung des Temperatursensor in unmittelbarer Nähe des Kondensates 8

9 2 Modell Kondensation Genauigkeit der Taupunkttemperatur unter Berücksichtigung des Raoult`schen Gesetz e -e F Frequenz des VCO idealisierter Kurvenverlauf der Betauung U F e w U F = m w m w + M v M s * m s f trocken (m ) wo zunehmende Verunreinigung des Kondensats (m ) F f naß t d - Taupunkttemperatur Sensor-Temperatur - Definition der Abhängigkeit der Gleichgewichtsfeuchte von der in der Wassermasse vorhandenen löslichen Substanz (Verunreinigung). - Rückschlüsse auf Verschmutzungsgrad des Kondensates auf dem Chip durch Kenntnis der wassermasse und der dabei stattfindenden Dampfdruckerniedrigung. - Verschiebung der Betauungskurve vom idealen Verlauf zu höheren Temperaturen mit zunehmender Masse ms von löslichen Fremdstoffen, d.h. die Sensortemperatur steigt trotz fest vorgegebenem Arbeitspunkt mwo an 9

10 3 Dynamik Kondensation und Verdunstung Kondensations- Wechsel-Test Kondensation Verunreinigung Langzeit- Kondensation Kondensation/ Verdunstung Degradation Kondensationskeime 10

11 4 Kondensationssimulation Herausforderung: Konstante Kondensation über einen längeren Zeitraum Klimaregelung vs. Kondensatmasse Thermische Trägheit Rampe Regelung im thermodynamischen Gleichgewicht 11

12 4 Kondensationssimulation JASO D : Temperaturkammer -5 ± 2 C 2 ± 0,5 h Klimaprüfkammer 35 ± 2 C (85 ± 5) % 10 min BMW Norm GS : Klimaprüfkammer C (98 100) % IEC : Feuchte-Wärme zyklisch (ohne Frost) Klimaprüfkammer C ( ) % DIN ISO/DIS Test 3: Klimaprüfkammer C (95 100) % 12

13 4 Kondensationssimulation Relative humidity % RH ½ h End of temperature 100 rise 95 Condensation ½ h Start of temperature fall Drying Time ½ h +82 *78 ½ h ½ h /4 2 3/4 1 ½ 3/4 5 h 1 cycle DIN ISO/DIS Test 3 13

14 4 Kondensationssimulation Regelung im thermodynamischen Gleichgewicht einer Kondensation und Verdunstung BTF Controller Elektronik- Board 14

15 4 Kondensationssimulation Regelung von Oberflächentemperatur vs. Taupunkttemperatur (Spread) Beispiel: T dp : 12.4 C T a : 24 C Kontrolle und Sicherung Kondensatmasse mittels Kondensationssensor Quelle: FEUTRON Umweltsimulation GmbH 15

16 5 Mikrokondensationssensoren Entwicklungsziel Mit den Kondensationssensoren zu beantworten: Fand bzw. findet eine Kondensation statt? Welcher Menge Kondensat war das Substrat ausgesetzt? Wie lange und bei welcher Temperatur dauerte der Zustand der Kondensation an? Um dann mit diesen Sensoren die Menge aufgetretener Kondensation bei entsprechender Temperatur an verschiedenen Positionen der Applikation quantitativ zu erfassen konkret diese Feldbedingungen auf Laborbedingungen zu übertragen, zu simulieren und rückzuführen 16

17 5 Mikrokondensationssensoren CCC -Sensor, Modellierung & Design SPICE Modell des Streufeldkondensators Design mit unterschiedlicher Rasterkonstante CCC - condensate controlled capacitance nach HEINZE 17

18 5 Mikrokondensationssensoren Sensorsystem des Kondensationssensors Transducer Erkennungssystem Signalvorverarbeitung Signal verarbeitung Kalibrierung Programmierung Interface Kondensation Interdigital C/f-Konverter Linearisierung Programmierung Ausgang elektrode 1,0 0,8 voltage / V 0,6 0,4 0,2 0, water mass / µg/mm 2 18

19 6 Feld- und Laborversuche Tests an verschiedenen Positionen des KFZ CiS1 CiS2 CiS3 Messorte: CiS4 CIS1: an der Batterie in der rechten Seitenwanne CIS2: auf dem Mitteltunnel am Airbagsensor CIS3: Sicherungskasten Beifahrerseite CIS4: Kofferraumwanne neben dem HIFI Steuergerät CIS5: Kofferraumwanne an der Fahrzeugbatterie und der Messwerterfassung Quelle: BMW AG 19

20 6 Feld- und Laborversuche Test in Klimaprüfkammer Quelle: FAKRA/DELPHI 20

21 6 Feld- und Laborversuche Test in Klimaprüfkammer frequency / Hz t / C rh / % :00:00 25:12:00 26:24:00 27:36:00 28:48:00 30:00:00 31:12:00 32:24:00 33:36:00 34:48:00 36:00:00 time sensor 01 sensor 02 sensor 03 sensor 04 temperature relative humidity Quelle: FEUTRON Umweltsimulation GmbH 21

22 6 Feld- und Laborversuche Labortest an Standard-Leiterplatte Testleiterplatte Messung an Struktur 80 µa µg/mm² 12 Current Condensation h 24 0 Time Design Testleiterplatte Interdigitalelektroden (Abstand 0,2 mm,0,3 mm, 0,4 mm) Signifikante Zunahme des durch die Kondensation verursachten Stromes Kontinuierliche Zunahme des Standby Stromes Bewertungskriterium: Maximum des Stromes während der Testperiode Quelle: Schimpf, C.; Feldmann, K.; Matzner, C.; Steinke, A.: Failure of Electron Devices due to Condensation, MicroNanoReliability 2007, Berlin 22

23 7 Zusammenfassung Verständnis der Kinetik der Kondensation und Verdunstung erforderlich für die Wirkung hinsichtlich Migration Quantitative Messung einer Kondensatmasse und temperatur Nachweis der mikroklimatischen Zustände unter Feldbedingungen und deren Nachbildung in Klimaprüfkammern (mit Mikrokondensationssensoren) Simulation eines reproduzierbaren Mikroklimas als Mittel zur Früherkennung von Fehlern und Ausfällen und deren Anwendung in der Entwicklung und beim Design und Technologie von elektronischen Baugruppen 23

24 Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit Kontakt: CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Arndt Steinke Konrad-Zuse-Straße 14 D Erfurt Tel.: +49 (361) Fax.: +49 (361)