Präzision unter erschwerten Bedingungen

In Reinräumen herrschen besondere Bedingungen.

Die Struktur des HUMICAP-Sensors von Vaisala.

Matthias Lorenzen, Business Development Manager, EMEA, Vaisala.

Die Wahl der richtigen Messgeräte ist für das Erreichen optimaler Messergebnisse von großer Bedeutung. Eine besondere Herausforderung stellen dabei Feuchtemessungen dar, wie sie in Reinräumen und Klimakammern durchgeführt werden. Kritische Umgebungen wie diese sind auf Hochleistungsmessverfahren angewiesen, denn Parameter wie Feuchte oder Temperatur haben zum Beispiel in der Fertigung erheblichen Einfluss auf die Qualität der Produkte und die Produktivität. Nicht zuletzt deshalb unterliegt ihre Steuerung und Aufzeichnung strengen Richtlinien. Um einen kontinuierlichen Betrieb mit festgelegten Spezifikationen aufrechterhalten zu können, müssen die dafür eingesetzten Messgeräte kontinuierlich hohe Genauigkeit garantieren – und das unter erschwerten Bedingungen.

Die Auswahl der richtigen Feuchtemessgeräte für Reinräume und Klimakammern setzt sorgfältige Abwägungen voraus. Lösungen „von der Stange“ gibt es aufgrund der unterschiedlichen Anwendungen und Bedingungen in diesen Umgebungen kaum. In der Halbleiter- und Elektronikindustrie mit ihren stetig kürzer werdenden Produktionszyklen wird die Überwachung von Feuchte beziehungsweise Taupunkten im Herstellungsprozess beispielsweise immer wichtiger. In den Mini-Environments der Produktionsstätten werden immer häufiger hochgenaue Messsysteme mit Abweichungen von +/-1 % relative Luftfeuchtigkeit (rF) gefordert. Bei der Feuchteüberwachung in Anlagen zur Herstellung von Flüssigkristallbildschirmen und Farben spielt neben der Genauigkeit die Haltbarkeit der Sensoren eine große Rolle. Gerade in solchen Umgebungen treten oft unerwünschte Luftschadstoffe auf, welche die Sensorelemente beeinflussen können. Bei der Auswahl von Messgeräten in Klimakammern stellt sich unter anderem die Frage, ob die Feuchtemessungen über den gesamten Bereich der Betriebstemperatur durchgehend erforderlich sind, ob während eines Prüflaufs Kondensation auftreten kann oder ob die Kammer über einen längeren Zeitraum mit einer relativen Feuchte von annähernd 100 Prozent betrieben wird. Auch aggressive Gase oder extrem trockene Umgebungen können zur Herausforderung werden – nicht alle Messgeräte sind für solche Bedingungen geeignet.

Hier sind die Spezialisten gefragt

Reinräume und Klimakammern stellen Messgeräte auf eine harte Probe, denn dort herrschen häufig Bedingungen, die exakte Messungen schwierig machen:

Hohe Feuchten – Umgebungen mit gesättigter Atmosphäre sind für die meisten elektrischen Feuchtesensoren problematisch. Besser geeignet sind Psychrometer, sie liefern exakte Werte. Allerdings erfordern sie kontinuierliche Wartung und stoßen dann an ihre Grenzen, wenn auch niedrige Feuchtewerte oder extreme Temperaturen herrschen. Eine optimale Lösung für solche Fälle sind kapazitive Sensoren mit einer intelligenten Vorheizfunktion: Die Temperatur der Sonde wird bei diesen Messgeräten leicht über der Umgebungstemperatur gehalten. Damit wird eine Betauung oder Vereisung der Sonde verhindert und die Fortsetzung der Messungen auch in kondensierenden Umgebungen gewährleistet. Beheizte Sonden können darüber hinaus auch bei Temperatur-Feuchtekombinationen betrieben werden, bei denen Psychrometer nicht effektiv genug beziehungsweise überhaupt nicht mehr einsetzbar sind.

Aggressive Gase – Feuchtesensoren stehen üblicherweise in direktem Kontakt zum Gas (-gemisch) der Umgebung. In manchen Anwendungen können besonders hohe Konzentrationen aggressiver Chemikalien auftreten, die zu einer meist reversiblen Gain-Drift des Feuchte- beziehungsweise Taupunktsensors führen. Ein einfacher Feuchtesensor kommt hier schnell an seine Grenzen. In Anwendungsfällen wie diesen kommen besonders hochwertige Feuchtesensoren zum Einsatz, die sich durch die Auswahl des Sensorpolymers und einen optimierten Sensoraufbau auszeichnen. Ein Beispiel dafür ist der kapazitive Sensor HUMICAP®180R von Vaisala, der auf Basis langjähriger Erfahrung in der Feuchtesensorenherstellung im unternehmenseigenen Reinraum produziert wird. Eine weitere Lösung für das Problem einer potentiellen Sensordrift bietet Vaisala mit der „chemischen Sensorreinigung“ an. Durch Aufheizen des Sensors verflüchtigen sich dabei die für die Drift verantwortlichen eingelagerten Fremdmoleküle und die ursprünglichen Eigenschaften des Sensors werden wiederhergestellt.

Extrem trockene Umgebungen – Um den Wassergehalt der Luft zu messen kommen in der Praxis je nach Feuchtebereich unterschiedliche Sensoren zum Einsatz. Ein Standard-Feuchtesensor wird in der Regel ab einem Feuchtgehalt von 10 % rF eingesetzt. Speziell in Klimakammern kann aber durchaus eine Feuchte von lediglich 3 % rF oder weniger erforderlich sein. Die meisten Feuchtemessgeräte, die zwar für einen Arbeitsbereich von 0 bis 100 % rF ausgelegt sind, arbeiten bei derart geringer Feuchte nicht mehr zuverlässig. In solchen Fällen kommen Taupunktmessgeräte zum Einsatz, die zum Beispiel dank einer speziellen Polymer-Sensor-Technologie auch kapazitive Messungen des Taupunkts zuverlässig vornehmen. Kapazitive Sensoren, die mit dieser Technologie arbeiten, können in einem sehr breiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Bei einer Spanne von minus 70 bis plus 180 Grad Celsius sind ihnen weder durch Gefrier- noch Siedepunkte Grenzen gesetzt.

Auch die Kalibrierung spielt eine Rolle

Um die hohe Genauigkeit der Messgeräte dauerhaft zu gewährleisten ist es wichtig, regelmäßig präzise Kalibrierungen durchzuführen. Grundsätzlich ist eine Laborkalibrierung einer Vor-Ort-Kalibrierung vorzuziehen. In einem Labor können die Auswirkungen der Umgebung und damit die Zahl der beeinflussenden Faktoren entscheidend minimiert werden. Kalibrierungen im Betrieb sind allerdings eine schnelle und einfache Möglichkeit, Messgeräte zu überprüfen, ohne dass sie aus dem Prozess oder Bereich entfernt werden müssen. Für Vor-Ort-Kalibrierungen werden portable Universalanzeigegeräte genutzt, die die Messergebnisse im Verlauf grafisch anzeigen oder an einen PC übertragen. Im Idealfall lassen sie sich direkt mit den Messgeräten verbinden. Auf diese Möglichkeit kann bereits bei der Auswahl der Messgeräte geachtet werden.

Die beschriebenen „harten“ Entscheidungsfaktoren, die sich an der Nutzung orientieren, helfen bei der Auswahl der Messgeräte. Wenn darüber hinaus noch die eher „weichen“ Faktoren wie einfache Installation und Wartung, geringer Wartungsbedarf, die Möglichkeit der individuellen Anpassung und der Service des Herstellers beachtet werden, ist die optimale Ausstattung für die Feuchtemessung in Reinraum und Klimakammer gefunden. 

Servicekasten: Achtung bei der Wahl von Kalibrierungsdienstleistungen

Kalibrierungen sollten in jedem Fall von zertifizierten Dienstleistern durchgeführt werden. Das können Hersteller sein, die Kalibrierungen für ihre eigenen Produkte anbieten, oder Labore, die generell Messgeräte kalibrieren. Ohne Akkreditierung ist die Kompetenz der Dienstleistungen nicht nachgewiesen. Deshalb sollte vor der Entscheidung für einen solchen Dienstleister immer deren Kompetenz geprüft werden. Jeder Anbieter von Kalibrierdienstleistungen sollte eine gültige Rückverfolgbarkeitskette nachweisen können. Es muss mindestens eine Laborreferenz in einem externen Labor kalibriert worden sein, das dann zur internen Kalibrierung verwendet wird. Darüber hinaus sollte der Umfang der Dienstleistungen vor der Zusammenarbeit genau geklärt sein: Einige kommerzielle Anbieter weisen in ihren Kalibrierzertifikaten Messunsicherheiten beispielsweise nur dann aus, wenn diese extra bestellt werden. Andere sind überhaupt nicht in der Lage, Messunsicherheiten zu berechnen.