Aufgrund der fortschreitenden Automatisierung gewinnt die Messgröße Feuchte mehr und mehr an Bedeutung. Einfach und genau messen kann man die Parameter Feuchte und Temperatur mit High-Tech-Sensoren, die kostengünstig in hohen Stückzahlen hergestellt werden können.

Im Bereich der Multifunktionsensoren stellt Amsys die Serie der miniaturisierten Sensormodule HTU21X vor. Diese Doppel-Sensoren (MEMS) dienen zur Messung der relativen Luftfeuchte und der Temperatur. Bei den OEM-Sensoren der Reihe HTU21X handelt es sich um die integrierte Kombination einer kapazitiven Feuchtigkeitsmesszelle und eines Temperatursensors. Kapazitive Sensoren basieren prinzipiell darauf, dass zwei Elektroden (parallele Metallplatten) einen elektrischen Kondensator bilden, dessen Kapazität gemäß der nachfolgenden Gleichung gemessen werden kann. Für den Kondensator mit einem Isoliermaterial zwischen den Platten gilt:
C = εO εr A/d
mit εO = elektrische Feldkonstante, εr = relative Permittivität, A = Kondensatorfläche und d = Abstand der Platten.

Die Permittivität ε= εO•εr gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an. Je höher die Permittivität ist, desto mehr Energie kann in dem elektrischen Feld zwischen den Platten des Kondensators gespeichert werden. Die relative Permittivität εr eines Stoffes, der sich zwischen den Kondensatorplatten befindet, sagt also aus, um wie vielfach sich die Kapazität eines Kondensators mit Isolator gegenüber einem Kondensator in Vakuum beziehungsweise Luft erhöht.

Die Permittivität ist keine Konstante (früher fälschlicherweise Dielektrizitätskonstante genannt), sondern kann sowohl frequenz- wie auch feuchtigkeitsabhängig sein. Wenn man zum Beispiel ein hygroskopisches, isolierendes Material (Polymer) zwischen die beiden Platten des Kondensator anbringt, ändert sich εr in Abhängigkeit von der absorbierten/desorbierten Feuchtigkeit, was eine Kapazitätsänderung zur Folge hat, die gemessen werden kann.

Zuzüglich zur kapazitiven Messzelle ist ein Messwertaufnehmer für die Temperatur vorhanden. Dieser ist in der Auswerteschaltung (ASIC) in Form einer integrierten Bandgap-Schaltung realisiert. Man benötigt die Temperaturinformation, um die elektronische Temperaturkompensation im Sensor vornehmen zu können, und profitiert zusätzlich von einem unabhängigen Temperatursensor.

Feuchtigkeitsmesszelle und Temperatursensor auf einem Silizium-Chip integriert
Die Messzellen wurden in Form einer Wheastonsche Brückenschaltung konfiguriert, dessen Ausgangssignal in einem nachfolgenden Instrumentenverstärker erfasst wird. Nach der A/D-Wandlung erfolgt die digitale Signalaufbereitung. Die Digitalisierung erfolgt im HTU21X in einem speziellen ΣΔ-ADC (CMOS-ASIC). Dabei können die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte programmierbar in 8/12bit- oder 12/14bit-Datenworte gewandelt werden. Diese stehen als unabhängige Ausgangssignale für die Übertragung mit dem I²C-Protokoll zur Verfügung. Im internen Speicher wurden während der Herstellung individuelle Korrekturkoeffizienten abgelegt, die ebenfalls ausgelesen werden können.
Durch einen externen Mikroprozessor kann mit Hilfe der Messwerte und der Koeffizienten mit einer einfachen Arithmetik-Operation die hochgenaue Korrektur für die Druck-, die Temperatur- und die Feuchtemessung durchgeführt werden. Damit werden die gemessenen Messzellenwerte individuell linearisiert, kalibriert und temperaturkompensiert.

Die Integration der Feuchtigkeitsmesszelle und des Temperatursensors auf demselben Silizium-Chip gewährleistet ein gutes Temperatur-Matching. Die langfristige, alterungsbedingte Messdrift des HTU21X beträgt weniger als 0,5 Prozent der relativen Luftfeuchte und 0,04°C der Temperatur pro Jahr.
Die angegebene Genauigkeit berücksichtigt auch die Auswirkungen des Reflow-Lötens. Durch diese hohe Langzeitstabilität, eine geringe Hysterese von ±1 %RH und eine nahezu lineare Kennlinie bietet der HTU21X gute Eigenschaften für den Einsatz im industriellen und medizinischen Bereich.

Durch den integrierten Heater im HTU21D kann die Drift in Umgebungen mit relativ hoher Luftfeuchte reduziert und die wichtigen Sensorelemente vor Kondensation bewahrt werden. Der Sensor besitzt einen Versorgungsspannungsbereich von 1,5 bis 3,6 V und einen geringen Stromverbrauch von typisch 450 µA, was insbesondere bei mobilen, batteriebetriebenen Geräten zum Tragen kommt.

Jeder Sensor ist individuell kalibriert und kompensiert. Dadurch kann eine Genauigkeit von ±3 %RH im Feuchte-Messbereich von 20 bis 85 %RH erreicht werden. Für Messungen im erweiterten Bereich von 5 bis 90 %RH wird eine Genauigkeit von ±5 %RH angegeben. Prinzipiell ist der Sensor aber im gesamten Bereich von 0 bis 100 %RH einsetzbar.

Anwendungsbereiche: Den Zusammenhang zwischen Temperatur und Feuchte kennen
Die Feuchtigkeit in hermetisch geschlossenen Hochhäusern und gedämmten Wohn- und Arbeitsräumen (energieautarke Häuser) ist zu einem modernen Phänomen geworden, das Wohlempfinden, Arbeitseffizienz und Gesundheit erheblich beeinflusst. Zusammen mit der Raumtemperatur ergeben sich im RH/T-Diagramm jahreszeitabhängige Zonen, die nach ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers) als Komfort-Zonen bezeichnet werden und als optimale Umgebungsbedingungen anzusehen sind.

Die Kombination von Feuchte und Temperatur als Umgebungsmesswerte werden für die IoT-Anwendungen in Zukunft von Bedeutung sein. In diesem Zusammenhang sind Smart Homes, Smart Offices und Smart Energy zukunftgerichtete Anwendungsbereiche, bei denen sich die Komfortzonen über I-Pads oder Tablets individuell einstellen lassen können.

Weiterhin kann unter dem Aspekt der Energieeinsparung die Kenntnis beider Parameter von Nutzen sein. Wenn zum Beispiel die Feuchtigkeit in einem Raum niedrig ist, ist für das Wohlempfinden eine höhere Temperatur wünschenswert. Man würde also die Heizung auf höhere Temperaturen regeln. Da in den trockenen Wohnräumen die Feuchtigkeit mit geringer Energie erhöht werden kann, könnte die Temperatur für das optimale Wohlempfinden beibehalten und eine positive Energiebilanz erzielt werden.

Um die Feuchte und Temperatur auf optimale Werte regeln zu können, sollten sie mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden können. Dazu wurde der digitale Doppelfunktionssensor HTU21X entwickelt, der neben der Feuchte auch die Temperatur bestimmen kann. Mit einem solchen Sensor hat man also die beiden Parameter zu Verfügung, die zur Regelung von Heizung/Kühlung und Befeuchter/Entfeuchter für die Komfortzone notwendig sind. Mit beiden Messwerten lässt sich zudem (mit einem angeschlossenen Prozessor) die Taupunkttemperatur Td = f(RH) errechnen, die für Maßnahmen gegen Kondenswasserbildung und damit gegen einen möglichen Schimmelbefall in den Wohn/Arbeitsräumen notwendig ist.

Bei Wasch- und Spülvorgängen in Haushaltsgeräten messen die HTU21X die Feuchtigkeit der Wäsche und des Spülraums und bestimmen so den Grad der Trocknung, die heute auf das Wasch- und Spülgut abgestimmt wird, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Zusätzlich ist es möglich, den Taupunkt zu bestimmen, mit dessen Hilfe die Kondenswasserbildung in den Geräten vermieden werden kann.

In den neuen Smartphones ermitteln die Doppelfunktionssensoren die Luftfeuchtigkeit und die Umgebungstemperatur am aktuellen Standort des Benutzers. Über eine App wird dem Benutzer dann angezeigt, wie weit die aktuellen Werte von den empfohlenen gesundheitsrelevanten Empfehlungen abweichen.
Interessant sind die kombinierten Feuchte-/Temperatursensoren der Serie HTU21X auch für die Überwachung empfindlicher elektronischer Geräte zum Beispiel in Schaltschränken und in Rechneranlagen oder intelligenten Transportüberwachungen.