Полная версия

Главная arrow Техника arrow ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Сорбционно-импедансные датчики

Действие таких датчиков влажности основано на зависимости полного сопротивления (импеданса) влагочувствитсльного слоя сорбента от количества сорбированной им влаги [1,2].

В качестве сорбентов первоначально использовали гигроскопичные ионообразующие соли (хлористый литий, хлористый кальций, фтористый бери- лий, фтористый магний и т.д.). Общий недостаток датчиков с такими сорбентами - низкая чувствительность.

Частично этот недостаток устраняют, применяя датчики с сорбционным слоем из двуокиси селена, который взаимодействует с водой:

Наибольшее распространение получили импедансные датчики с органическими полимерными и неорганическими сорбентами на основе окислов металлов.

Датчики с полимерной чувствительной плёнкой. Практически все органические полимерные материалы в той или иной степени изменяют свои физико-химические свойства при сорбции влаги, что позволяет использовать многие из них в датчиках влажности, в том числе кондуктометрического и емкостного типов.

Органическая полимерная плёнка в таких датчиках может служить либо самостоятельным влагочувствительным агентом, либо с добавлением неорганических влагочувствитсльных соединений (обычно солей хлористого лития или хлористого кальция) или негигроскопичных проводящих частиц (мелкодисперсного углерода, золота, серебра и т.п.).

В качестве влагочувствительных покрытий таких датчиков могут использоваться акрилаты, полимеры метакрилата, полиакрила меди, полиэти- ленимиды, гидроксилцсллюлоза, продукты полимеризации хлорсодержащих полимеров, кремнийорганические полимеры, содержащие аминогруппы. Стабильный датчик влажности можно реализовать на основе полиимидной плёнки, обладающей очень высокой химической и температурной стабильностью.

Фирмой Honeywell (США) разработан интегральный датчик влажности, в котором используется пористый, проницаемый для влаги электрод, слой полиимида толщиной 0.5 мм и нижний гребенчатый электрод, напыленный на поверхность Si02 (рис.62).

Часто в качестве влагочувствитсльного покрытия используют поливиниловый спирт (частично гидролизованный поливинилацетат). Он практически не растворим в воде, но молекулы воды легко диффундируют в его объём. Для увеличения чувствительности в пленку вводится органический электролит (ацетат натрия, калия или лития) в количестве 0.05 -г-10 вес.% от поливинилового спирта. Поливиниловый спирт заполняет поры, образованные частицами Fe2C>3 и углерода размером 1-100 нм. Датчик с таким покрытием обладает высокой стабильностью.

В качестве влагочувствительного покрытия используется также плёнка полистирола, полученная полимеризацией в ВЧ-плазме.

При изменении относительной влажности от 12 до 100% ёмкость такого датчика изменяется почти в два раза, характеристика близка к линейной.

В емкостном датчике влажности фирмы Vaisula (Финляндия) плёнку полимера толщиной < 10 мкм получали методом окунания. Серийно выпускаемый фирмой датчик HUMICAP 606/НМ предназначен для измерения относительной влажности от 0 до 100% с погрешностью не более i 2% и служит основой индикаторов влажности типа НМ 14.

Гигроскопический полимер с высокой диэлектрической проницаемостью (е « 80) использован в емкостном датчике С.С.Н. фирмы Cored. Верхним электродом служит толстый слой пористого хрома, что повышает стойкость датчика к воздействию загрязнений. Номинальная ёмкость датчика с размерами 6X6 мм составляет 500 пФ, чувствительность - 1.7 пФ на 1% относительной влажности. Характеристика датчика линейна во всём рабочем диапазоне от 5 до 98% относительной влажности. Температурный диапазон работы датчика 263 - 313 К.

Датчик влажности, выпускаемый фирмой General Corporation (США), снабжён мембраной, пропускающей пары воды и задерживающей пыль и различные масла. Датчик размером 16 X 20 X 46мм предназначен для измерения относительной влажности в диапазоне 10 - 90% с точностью ±5%.

Обширную группу составляют датчики с полимерной влагочувствительной плёнкой, в которую введены мелкодисперсные проводящие частицы (чаще всего углерода, поэтому датчики такого типа иногда называют “угольными”), связующим влагочувствитсльиым веществом служит целлюлоза или её производные, а нанесение плёнки на диэлектрическую подложку (например, из поликора или керамики) осуществляют методом окунания. Абсорбция воды влагочувствительным полимером приводит к изменению его

Датчики влажности МДП-типа

Рис.60. Датчики влажности МДП-типа

Характеристики планарного кулономстричсского датчика влажности при температуре 293К

Рис.61. Характеристики планарного кулономстричсского датчика влажности при температуре 293К: 1- на воздухе, при Р = 105 Па; 2- в вакууме

Датчик с полимерной чувствительной пленкой

Рис.62. Датчик с полимерной чувствительной пленкой:

1 - пористый электрод;2- нижний гребенчатый электрод линейных размеров, что сопровождается перемещением проводящих частиц и изменением контактного сопротивления между ними.

Для увеличения стабильности и воспроизводимости характеристик “угольных” датчиков в них необходимо использовать частицы гидрофобного углерода, имеющего аморфную или графитизированную структуру. Если средняя величина частиц превышает 0,5мкм, то пленка имеет нестабильное сопротивление.

Недостатком большинства полимерных датчиков является наличие гистерезиса, низкая стабильность и высокая чувствительность к воздействию агрессивных сред.

Датчик фирмы Nippon Electric (Япония) предназначен для определения сконденсированной влаги на автомобильном стекле. Он содержит подложку с золотыми гребенчатыми электродами, на которую последовательно нанесены адгезионный и влагочувствительный слои с равномерно распределёнными проводящими частицами (Au, Pd, Ag). Влагочувствительным веществом является акриловая или метакриловая смола. Вес проводящих частиц составляет 20 - 60% от веса смолы.

Порог срабатывания датчика, в зависимости от состава влагочувстви- тельного покрытия и содержания в нём проводящих частиц, находится в пределах от 60 до 95% относительной влажности. При этом сопротивление датчика изменяется от 6 кОм при относительной влажности 20 - 60% до 10 Мом при влажности 98%. Датчик выдерживает до 2000 циклов осушки.

Фирмой Sharp (Япония) разработан полимерный датчик влажности на основе полевого транзистора (рис.63) с индуцированным п-каналом

Площадь структуры 1.5 мм, длина канала 12 мкм, ширина 7.3 мкм. Затворный диэлектрик представляет собой композицию из SiCb толщиной 50 нм и Si3N4 толщиной 800 нм. Si3N4 предохраняет прибор от влияния атмосферы. Чувствительная к влаге полиимидная пленка помещена между затвором, верхний слой которого изготовлен из пленки Au толщиной 20 нм, проницаемой для воды, нижний - из тантала толщиной 300 нм. Изменение проводимости пленки полиимида под действием молекул воды меняет проводимость канала и ток стока.

Интересным решением являлось объединение влагочувствительной полимерной пленки с генератором на поверхностно-акустических волнах ПАВ (рис. 64).

На подложке из ниобата лития или кварца формируется структура генератора на ПАВ. На обратной стороне мембраны, толщина которой сравнима с длиной поверхностной волны, наносится влагочувствительная пленка. Поглощение паров воды из атмосферы приводит к изменению плотности, жесткости и толщины пленки. В результате изменяется фазовая скорость поверхностных акустических волн в тонком слое ZnC>2, нанесенном на верхнюю сторону мембраны и, следовательно, меняется частота колебаний генератора.

В этой конструкции активная поверхность прибора защищена от паров воды, и водяной конденсат не оказывает паразитного влияния на элементы конструкции и электронной схемы обработки сигнала.

Керамические датчики. К этой группе относятся датчики, в которых влагочувствительным веществом является пористая керамика, состоящая из одного окисла или смеси нескольких окислов. Характеристика датчика чаще всего определяется зависимостью его сопротивления от влажности, несколько реже используется емкостной тип датчиков.

По виду проводимости керамические датчики влажности делятся на два типа: с ионной проводимостью и электронной проводимостью. В датчиках ионного типа уменьшение полного сопротивления сенсорного элемента при увеличении относительной 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.

Все датчики такого типа относятся к толстоплёночным (толщина сорбционного покрытия обычно более 10 мкм). В качестве влагочувствительного вещества применяется керамика из окиси кобальта СоО, получаемая при взаимодействии порошков металлического кобальта и четырёхокиси кобальта С03О4 при температуре -1173 К . Порошок окиси кобальта смешивают с органическим связующим, затем наносят на подложку и подвергают термообработке при 1623 - 1823К. Сопротивление датчика изменяется на шесть порядков (от 10ю Ом до Ю4Ом) при изменении относительной влажности от 30 до 100%. Основным недостатком такого датчика является очень высокое собственное сопротивление окиси кобальта, превышающее 106ч-108 Ом, при относительной влажности 30-40%, что предопределяет значительные размеры датчика.

Аналогичные результаты получаются при использовании в качестве влагочувствительного вещества керамики из Ре2Оз.

Для устранения указанного недостатка датчик обрабатывается раствором хлорного железа (FeCh). Технология изготовления такого датчика включает осаждение на диэлектрическую термостойкую подложку (например, из кварца) размерами 11.25x5.0x0.75 мм двух металлических (золото, платина, палладий) электродов. После этого на сформированную структуру методом центрифугирирования или пульверизации наносят водную суспензию, содержащую 2-5 вес.% металла и 0.01-0.05 вес.% связующего вещества (поливинилового спирта). После этого структуру подвергают термообработке при 873-1073К в течение 1-2 ч. При этом происходит спекание отдельных частиц окисла и удаление из плёнки связующего вещества, что обеспечивает максимальную пористость покрытия и его активизацию. Толщина сорбционного покрытия составляет 50 мкм. Образованную таким образом плёнку обрабатывают раствором гигроскопической хлорсодержащей соли (5% р-р FeCb) с последующей термообработкой при 473 - 573К в течение 0.5 -г-1.0 ч. В результате ионы хлора прочно удерживаются на поверхности пор сорбента за счёт ковалентных связей с окислом, при этом на поверхности окисла образуется оксихлорид железа. Наличие на поверхности пор ионов хлора соответствует увеличению гигроскопичности сорбента и его электропроводности. Для стабилизации свойств латника его подвергают искусственному старению путём циклического воздействия среды с влажностью 10-90%.

Слой Fe203 можно пропитывать органическим влагочувствительным веществом, например полиэтиленгликолем. При этом улучшаются адсорбционная способность и механическая прочность влагочувствительного покрытия.

Градуировочные характеристики датчика с сорбционным слоем Fe203 приведены на рис.65.

Для увеличения стабильности датчика их поверхность покрывают тонкой влагопроницаемой защитной мембраной из поливинилового спирта.

Термообработка в восстановительной атмосфере (Н2) при температуре -1773 К способствует уменьшению собственного сопротивления керамики из окиси кобальта более чем на порядок. Это позволяет уменьшить размеры датчика до 5.0х5.0 мм при толщине подложки 1 мм.

Фирмой General Electric (США) разработан датчик относительной влажности на основе керамики из |3-А1203, в состав которой введены ионы щелочных металлов (Na+, К+, Li*). Импеданс датчика изменяется от 106 Ом при относительной влажности 10% до 8102 Ом при 95%.

Эффективным способом модифицирования поверхности алюминиевооксидной керамики (96% А1203) является обработка подложки на воздухе при температуре Т=373 - 1023К в течение 0.5-30 ч после формирования на поверхности конфигурации электродов из золота. Затем поверхность подложки покрывают слоем Р205 и выдерживают 0,5-30 ч при температуре 323 - 773 К. В результате образуется проводящий влагочувствительный слой за счёт реакции взаимодействия А1203 с Р2О5. Толщина модифицированного слоя составляет -60 нм, толщина золотых электродов - 0.1 мкм. Датчик размером 2x1.5x0.5 мм может быть встроен в корпус ИС, он позволяет измерять влажность в диапазоне 3-И5000 ррм как на переменном, так и на постоянном токах.

Другим способом уменьшения собственного сопротивления и повышения чувствительности датчика является использование многокомпонентной керамики. Ведущая роль в разработке и патентовании датчиков влажности на основе многокомпонентной керамики принадлежит японским фирмам. Ими предложено около 70 составов керамических композиций, состоящих на 98- 99.55 вес.% из основного компонента, включающего от 0.01 до 80 мольных % перекиси хрома и от 0.01 до 20 мольных % одного из окислов: ТЮ2, Zr02, НЮ, Sn02, Nb205, Та205, W03, Mn03, Мо02, Si02, V02. В качестве добавки (0.05-2 вес.%) используется окисел из группы: BeO, MgO, CaO, SrO, ВаО, FeO, NiO, CuO, ZnO, CdO и PbO.

Датчик на основе МДП-транзистора

Рис. 63. Датчик на основе МДП-транзистора

Датчик влажности на ПАВ

Рис.64. Датчик влажности на ПАВ

Зависимость сопротивления керамического датчика со слоем Fe0 от влажности

Рис.65. Зависимость сопротивления керамического датчика со слоем Fe203 от влажности: 1 - ^модифицированный; 2 - модифицированный FeCl3; 3 - пропитанный полиэтиленгликолем

Такие датчики обладают высокой стабильностью и чувствительностью при низком собственном сопротивлении (105-106 Ом) и при нулевой влажности. При изготовлении датчиков используется обычная технология, включающая подготовку порошков окислов, смешивание их в необходимой пропорции с раствором связующего вещества (4-10%), водный раствор поливинилового спирта, нанесение эмульсии на подложку или прессование в пластины под давлением порядка 750 кг/см3.

Затем проводят спекание материала при температуре 1623 К в течение 1-Зч. Электроды из двуокиси рутения наносят поверх влагочувствительного керамического слоя и вжигают при температуре 1023 К.

В керамических датчиках влажности емкостного типа, конструкция которых представлена на рис.66, электроды (2), содержащие 9 токоведущих дорожек длиной 18 мм, сформированы методом толегоиленочной технологии из палладиево-серебряной пасты на корундовой подложке (1) (-96% АЬОз), ширина токоведущих дорожек и расстояние между ними составляет 0.625 мм. Поверх электродов нанесен слой влагонепроницаемого диэлектрика (3) толщиной около 10 мкм, а на его поверхность- последовательно два слоя влагочувствительного покрытия общей толщиной около 40 мкм. Влагочувствительный слой состоит из инертных частиц корунда (4), покрытых влагочувст- витсльной стеклокерамикой (5).

Таким образом, одновременно увеличивается площадь сорбционной поверхности и уменьшается толщина датчика, что приводит к увеличению его чувствительности и быстродействия. Типичный размер пор влагочувст- витсльного покрытия составляет 2 мкм. Емкость измеряется линейно от 8 пФ при нулевой влажности до 60 пФ при влажности 100%. Время установления показаний датчика при изменении влажности от 30 до 90% не превышает Зс.

К недостаткам датчика относятся низкая чувствительность при влажности меньше 25% и достаточно большие габариты (25.4x12.7 мм).

Основным недостатком керамических датчиков влажности в целом является сложность измерения низких уровней влажности (менее 1%). Повысить чувствительность датчиков в этой области можно с помощью пропитки гигроскопичными солями, например хлористым литием, причем керамические датчики с пропиткой более стабильны, чем аналогичные тонкопленочные.

Другим недостатком, общим для всех кондуктомегрических датчиков влажности, является экспоненциальный xapaicrep зависимости сопротивления от влажности, что требует применения достаточно сложных измерительных схем и увеличивает габариты приборов для контроля влажности. Этот недостаток можно устранить, формируя датчик на одной подложке с обрабатывающей ИС.

Тоикотеиочпые полупроводниковые датчики. Действие датчиков такого типа основано на изменении проводимости тонкого слоя полупроводника под действием зарядов, адсорбированных на его поверхности, или поверхности расположенного на нем диэлектрического слоя полярных молекул, в т.ч. молекул воды.

Первые датчики этого типа выполнены в виде диода Шотки, образованного переходом Si (или Ge) - двуокись олова.

Контакты наносят на противоположные поверхности структуры. Недостатками датчика являются достаточно большая постоянная времени и низкая чувствительность при малых уровнях влажности.

Для увеличения чувствительности на поверхность тонкого слоя (50 - 80 нм) окиси олова, расположенного на диэлектрической подложке с двумя электродами, наносят слой диэлектрика, толщиной 10-40 нм. Диэлектриком служит тефлон (при определении влажности более 80%) или полимер, полученный конденсацией в плазме тстраэтоксисилана (при определении влажности в диапазоне 0-100%). Измерения проводят на постоянном токе, сопротивление датчика изменяется от 100 Мом до нескольких сотен кОм в диапазоне влажности 0-100%. Для повышения точности измерений на поверхность диэлектрического слоя наносят дополнительный электрод из алюминия, при этом его площадь не должна превышать 45-50% площади диэлектрического слоя. Подавая на электрод положительный или отрицательный потенциал можно смещать характеристику датчика в заданный диапазон и обеспечивать оптимальную чувствительность и точность измерений. В качестве полупроводника можно также использовать окиси цинка, марганца, меди, никеля, титана, кадмия, железа, серебра, висмута, вольфрама.

В качестве датчика влажности используется также кремниевый МОП- транзистор с открытым затвором. Для увеличения чувствительности на открытую часть подзатворного окисла толщиной 0.1 мкм наносят полимерную плёнку толщиной 0.3 мкм. Канальная проводимость такого транзистора зависит от количества адсорбированных молекул воды и приложенного к затвору управляющего напряжения. Влажность определяют но времени задержки отпирания канала сток-исток, зависящей от сопротивления полимерной пленки.

Полупроводниковые датчики влажности обладают высокой чувствительностью, однако они имеют и серьёзные недостатки, главным из которых является значительная временная нестабильность характеристик, обусловленных изменением поверхностных свойств сорбционных покрытий и электродов.

Эта проблема может быть решена путем использования в качестве влагочувствительного элемента плёнки окиси алюминия, полученного анодированием поверхности чистого алюминия. В настоящее время ряд фирм (в их числе Panametrics (США) и Shaw (Великобритания)) активно занимаются разработкой датчиков на основе анодированной окиси алюминия.

В настоящее время датчики влажности такого типа нашли наибольшее распространение, что объясняется их высокими метрологическими характеристиками, технологичностью и достаточно низкой стоимостью.

Датчик состоит из алюминиевой подложки, на которой методом электрохимического окисления сформирован анодный окисел. Вторым электродом служит тонкий влагопроницаемый слой металла (чаще всего золота, реже алюминия, серебра, палладия или платины). Первоначально в качестве подложки использовали алюминиевые стержни или пластины, затем - алюминиевую фольгу, сейчас применяют тонкие (~ 1мкм) слои напыленного алюминия.

Характеристики алюминиево-оксидных датчиков в основном определяются свойствами анодных плёнок окиси алюминия, которые, в свою очередь, сильно зависят от состава электролита и режимов анодирования.

Упрощённая модель строения анодного окисла алюминия предполагает, что он состоит из совокупности плотно упакованных элементарных ячеек мицел, каждая из которых обладает адсорбционной активностью за счёт наличия гидроксильных групп на её поверхности (рис.67.).

Толщина плёнки окиси алюминия влияет на чувствительность датчика и определяет его динамические характеристики. Датчики с толщиной окисной плёнки ~ 1.5-2.5 мкм позволяют измерять влажность в пределах от 20 до 100%. В датчиках влажности фирмы Shaw пористую плёнку АЬОз перед нанесением верхнего электрода пропитывают насыщенными растворами солей (например, LiCl, CaCl). Недостатком датчиков такого типа является высокая чувствительность к перегрузкам по влажности. В датчиках фирмы Panametrics (США) уменьшили толщину слоя АЬОз до 0.2 мкм и менее, что позволило значительно увеличить быстродействие датчика, чувствительность в области низких концентраций влаги (<1%) и уменьшить размеры.

Дальнейший шаг в этом направлении — полный переход на групповую технологию микроэлектроники. При этом датчик (рис.68) формируется на термически окисленной Si подложке, после напыления А1 электрохимическим окислением получают плёнку пористого А120з толщиной менее 0.25 мкм. Затем наносят верхний влагопроницаемый золотой электрод толщиной 10-50 нм и дополнительный слой золота на поверхность контактной площадки для обеспечения более надёжного контакта.

Датчики такого типа под названием Aqumax серийно выпускаются фирмой Panametrics. На их базе реализованы приборы для измерения влажности газов и органических жидкостей. Одна из последних моделей анализаторов влаги фирмы SystemI снабжена микропроцессором и позволяет проводить измерения в диапазоне от 0.001 до 200 000 ррм одновременно по шести каналам. Зонды с датчиками могут быть удалены от прибора на расстояние до 600 м. Постоянная времени датчика не превышает 1 мин.

Схема строения мицел

Рис.67. Схема строения мицел

Конструкция керамического датчика емкостного типа

Рис.66. Конструкция керамического датчика емкостного типа: 1 - корундовая подложка, 2 - электроды, 3 - покрытие, 4 -частицы корунда, 5 - влагочувствительная стеклокерамика.

В более позднем варианте датчика Aqumax II (рис.69), кроме влагочув- ствительной структуры на основе пористой окиси алюминия толщиной менее 0.25 мкм, имеются термостабилизирующий нагреватель из нихрома и датчик температуры.

Датчиком температуры могут служить сформированный на периферии кристалла дополнительный резистор из никеля или платины или (как показано на рис.69) р-п-переход. За счёт нагревания до температуры 323 К исключается деградация характеристик датчика при воздействии повышенной влажности 95-100%. Потребляемая на нагрев мощность не превышает 500 мВт. Малые размеры (2.54x2.54 мм или 1.52x1.52 мм) и высокая чувствительность позволяют использовать датчики такого типа для измерения содержания влаги внутри малых объёмов корпусов ИС.

Алюминиевооксидные датчики считаются наиболее пригодными для измерения влажности природного газа при нормальных условиях и повышенных давлениях.

Датчики с сорбционным слоем двуокиси кремния. Применение в качестве влагочувствительного вещества пористой двуокиси кремния позволило максимально использовать при изготовлении датчиков технологию микроэлектроники.

Получение двуокиси кремния при производстве датчиков влажности осуществляется электрохимическим окислением в растворах электролитов, т.к. при этом получается слой SiO? с высокой пористостью. Реже используется метод гидролиза растворов кремнийорганических соединений (чаще всего тстраэтоксисилана). В датчике фирмы IBM формирование пористого слоя Si02 проводят по следующей технологии: в 10-33% водном растворе HF при плотности тока 0.1-20 А/см2 обрабатывают поверхность кремния, которая в результате имеет пористость 30-80%. После этого проводят термическое окисление пористой поверхности пленки кремния при 773-1473 К или анодированием в растворе азотной кислоты при плотности тока 6 мА/см2. Полученный слой двуокиси кремния имеет пористость 15-40%. После этого формируют необходимую конфигурацию электродов. Такой датчик может быть изготовлен в едином технологическом цикле с БИС и размещён с ней на одном кристалле. Полное сопротивление датчика изменяется от 170-К)10 Ом в сухом азоте до МО10Ом при влажности 100%.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>