Импедансные датчики

Гигрометры, основанные на изменении импеданса, имеют чувствительный элемент из гигроскопического вещества, электрические параметры которого (сопротивление или емкость) изменяются в зависимости от влажности окружающей среды. Вода имеет диэлектрическую проницаемость, резко отличную от диэлектрической проницаемости других веществ (ε = 81). Наибольшее распространение получили датчики с органическими полимерными сорбентами и с неорганическими сорбентами на основе оксидов металлов.

Датчики с полимерной чувствительной пленкой. Большинство полимеров под воздействием влаги изменяет свои физико-химические свойства. К органической полимерной пленке могут добавляться неорганические влагочувствительные соединения или негигроскопичные проводящие частицы (углерода, Au, Pd, Ag и др.). Полимерная пленка помещается между двумя электродами: верхний из которых проницаем для влаги либо за счет малой толщины слоя около 10 нм, либо за счет его пористости. Толщина полимерной пленки изменяется от 10 до 500 мкм. Материалом влагочувствительного слоя являются полиимид, полистирол, акриловая и метакриловая смолы, гидроксилцеллюлоза и др.

Диапазон измерения влажности составляет 0 – 100 %. Погрешность измерений не превышает несколько процентов, диапазон рабочих температур от –40 до + 80 °С. Постоянная времени датчиков от 1 до 15 с.

Недостатками большинства полимерных датчиков являются наличие гистерезиса, низкая стабильность и высокая чувствительность к агрессивным средам.

В полимерном датчике влажности фирмы Sharp (Япония) на основе полевого транзистора с индуцированным n-каналом полиимидная пленка расположена под затворным электродом. Подзатворным диэлектриком является композиция SiO₂ и Si₃N₄. Под воздействием влаги пленка изменяет проводимость, что приводит к изменению проводимости канала и тока стока – рис. 7.3.

Рис. 7.3. Датчик на основе МДП-транзистора

Керамические датчики. В этих датчиках пористая керамика одного или нескольких оксидов металлов изменяет свое сопротивление в зависимости от влажности. Реже в керамических датчиках используется зависимость емкости от влажности. По виду проводимости керамические датчики бывают двух типов: с ионной и электронной проводимостью. В ионных датчиках уменьшение полного сопротивления сенсора при увеличении влажности обусловлено физической адсорбцией на поверхности и конденсацией в микрокапиллярах молекул воды. В датчиках с электронной проводимостью адсорбированные молекулы воды действуют как донорные центры, отдающие керамике электроны.

Керамические датчики относятся к толстопленочным, так как толщина влагочувствительного слоя более 10 мкм. Используются керамики из CoO, Fe₂O₃. Сопротивление таких датчиков при увеличении влажности от 30 до100 % уменьшается на 6 порядков – рис. 7.4. Основным недостатком датчиков является очень высокое сопротивление при влажности ниже 30 % (R ≈ 10⁸ – 10¹⁰ Ом).

Рис. 7.4. Зависимость сопротивления керамического датчика со слоем Fe₂O₃ от влажности: 1 – немодифицированный,

2 – модифицированный FeCl₃, 3 – пропитанный

полиэтиленгликолем

Снизить сопротивление и повысить чувствительность датчиков позволяет использование многокомпонентой керамики. Японские фирмы предложили более 70 составов керамических композиций окислов металлов для датчиков влажности. Датчики имеют высокую чувствительность и стабильность, низкое сопротивление (10⁵ – 10⁶ Ом) при нулевой влажности. Основной недостаток керамических датчиков - сложность измерения низких уровней влажности (менее 1 %). Общий недостаток всех датчиков влажности резистивного

типа – экспоненциальная зависимость сопротивления от влажности, что требует сложных измерительных схем.

Тонкопленочные полупроводниковые датчики. Принцип действия таких датчиков основан на изменении проводимости тонкого слоя полупроводника под действием зарядов, индуцированных на его поверхности при адсорбции влаги. Наибольшее распространение получили датчики с влагочувствительным слоем из оксида алюминия, полученного анодированием поверхности алюминия. Датчик состоит из алюминиевой подложки, на которой сформирован пористый анодный окисел, вторым электродом служит влагопроницаемый слой металла (Au, Al, Ag, Pt, Pd). Другое решение – второй электрод должен иметь малую площадь, чтобы не закрывать окисел. Толщина пленки оксида определяет чувствительность датчика и его быстродействие. При толщине около нескольких микрометров диапазон измерения влажности – от 20 до 100 %, уменьшение толщины на порядок увеличивает быстродействие датчика и делает его чувствительным к концентрациям влаги менее 1 %.

Технология микроэлектроники позволяет формировать датчик на окисленной кремниевой подложке, на которую напыляется Al, а затем формируется слой Al₂O₃ толщиной менее 0,25 мкм. Затем наносят верхний золотой электрод толщиной 10 – 50 нм – рис. 7.5. Датчики такого типа, снабженные микропроцессорами, позволяют измерять концентрации от 0,001 до 200 000 ppm, постоянная времени не превышает 1 мин.

Рис. 7.5. Конструкция алюминиево-оксидного датчика

влажности (а) и зависимость его емкости от влажности (б):

1 – кремниевая подложка; 2 – SiO₂; 3, 4 – контактные

площадки; 5 – нижний Al электрод; 6 – Al₂O₃;

7 – влагопроницаемый Au электрод; 8 – дорожка

для соединения с другими датчиками на подложке;

9 –дополнительная металлизация для контактной площадки

Датчики с сорбционным слоем SiO₂ позволяют максимально использовать технологию микроэлектроники при создании датчиков. Для получения SiO₂ высокой пористости используется электролитическое окисление или метод гидролиза растворов кремнийорганических соединений. Пористость слоя достигает 15 – 40 %. Такой датчик можно изготовить в едином технологическом цикле вместе с БИС и разместить на одном кристалле. Сопротивление датчика изменяется от 170∙10¹⁰ Ом в сухом азоте до 10¹⁰ Ом при влажности 100 %.

Контрольные вопросы

1. В каких единицах измеряется влажность?

2. Перечислите методы измерения влажности и основные типы датчиков влажности.

3. В чем заключается метод точки росы? Преимущества и недостатки конденсационных датчиков. Области применения.

4. Психрометрические датчики влажности. Достоинства и недостатки. Области применения.

5. Принцип работы каких датчиков основан на явлении сорбции влаги?

6. Принцип работы кулонометрических датчиков и область их применения.

7. Перечислите разновидности импедансных датчиков. На основе каких материалов они сконструированы? В создании каких датчиков используется микроэлектронная технология?

8. Пьезосорбционные датчики влажности. Принцип работы. Области применения.

9. Перечислите основные области применения датчиков влажности.