Сорбционные датчики влажности

Принцип действия датчиков основан на явлении сорбции влаги из анализируемой среды. Содержание влаги оценивается по изменению физико-химических или электрофизических параметров чувствительного элемента датчика. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбционные, абсорбционные и хемосорбционные датчики влажности.

В адсорбционных датчиках сорбция паров воды происходит на поверхности непористого сорбента или на поверхности пор пористого. В абсорбционных датчиках влага поглощается всем объемом сорбента. В хемосорбционных датчиках сорбированная вода вступает в химическую реакцию с материалом сорбента.

В датчиках адсорбционного и абсорбционного типа поглощение влаги сорбентом сопровождается изменением его массы и электрофизических свойств: электропроводности, диэлектрической проницаемости и др. В соответствии с этим различают датчики гравитационного типа (например, пьезосорбционные, основанные на изменении массы сорбента) и импедансные, действие которых основано на измерении сопротивления или емкости пленки сорбента при поглощении влаги.

 

Кулонометрические датчики

Кулонометрические датчики влажности (электролитические гигрометры) являются хемосорбционными, их действие основано на непрерывном поглощении влаги сорбентом и одновременном ее электролитическом разложении. Они позволяют определять очень низкое содержание водяного пара в воздухе или других газах. Чувствительный элемент датчика состоит из двух электродов со слоем фосфорного ангидрида Р₂О₅ между ними. В первых конструкциях электроды из Pt или Rh имели спиралевидную форму и располагались внутри трубки, по которой пропускался анализируемый газ.

В настоящее время используется планарная конструкция чувствительного элемента. Р₂О₅ имеет высокую гигроскопичность, большое удельное сопротивление в сухом виде и хорошую электропроводность после сорбции влаги. В датчике происходят одновременно два процесса: поглощение влаги фосфорным ангидридом с образованием либо метафосфорной кислоты при низких температурах

 

Р₂О₅ + Н₂О→2НРО₃, (7.2)

 

либо при более высоких – ортофосфорной

 

Р₂О₅ + 3Н₂О → 2Н₃РО₄ (7.3)

 

и их электролиз, сопровождающийся регенерацией фосфорного ангидрида и разложением воды с выделением кислорода и водорода:

 

2НРО₃ → Н₂ + ½О₂ + Р₂О₅, (7.4)

 

4Н₃РО₄ → 6Н₂ + 3О₂ + 2Р₂О₅. (7.5)

 

Для электролиза на электроды подается постоянное напряжение 30 – 70 В. Ток электролиза пропорционален содержанию водяного пара в исследуемом газе (при постоянном расходе газа 20 – 200 см³/мин).

Такой гигрометр лучше всего подходит для измерений в газах с очень малым содержанием воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции воды трубопроводами газов и составляет 10 – 20 ppm. При измерениях малых концентраций менее 10 ppm (соответствует точке росы менее –70 °С) из-за явлений сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч. При измерении влажности свыше 1000 – 1500 ppm сильно возрастает ток электролиза, что ведет к разогреву датчика, а при влажностях 10000 ppm (1 %) возникает возможность разрушения датчика. При измерениях высокого влагосодержания используют диффузионную мембрану, пропускающую лишь часть влаги из анализируемого потока.

Постоянная времени τ прибора зависит от направления, в котором изменяется влажность: при повышении влажности (от 10^-2 до 10^-1 %) τ ≤ 30 с, при снижении влажности (от 10^-1 до10^-2 %) τ составляет несколько минут.

Датчик позволяет измерять влажность различных газов: N₂, H₂, CH₄, CO₂, хладоагентов (фреона), хлористого водорода HCl, фосгена. Однако такие газы как аммиак, пары спиртов, амины вступают в химическую реакцию с P₂O₅ и могут разрушить датчик. Конструкция датчика приведена на рис. 7.2.

 

 

Рис. 7.2. Конструкция кулонометрического датчика:

1 – оболочка из тефлона; 2 – трубка для пропускания газа;

3 – электрод; 4 – корпус из нержавеющей стали; 5 – зажимы

 

Пьезосорбционные датчики

Пьезокварцевые резонаторы позволяют регистрировать величины сорбции 10^-12 – 10^-9 г/см². В датчиках при сорбции влаги изменяется масса сорбента, нанесенного на поверхность пьезокварцевого резонатора, что изменяет частоту его колебаний. Чувствительность датчика определяется сорбционной активностью сорбента, толщина которого составляет 1 – 2 мкм.

В качестве сорбента используются гигроскопические соли лития и кальция: LiCl, LiBr, CaCl₂ ; Р₂О₅; пленки пористого стекла; фториды кальции, магния, натрия, бария; органические полимерные материалы. Диапазон измерения влажности составляет от 0 до 2000 ppm, порог чувствительности может достигать 0,02 ppm. При помещении сорбционного датчика из среды с высокой влажностью в более сухую среду для повышения быстродействия датчика используют принудительную десорбцию влаги путем обдува осушенным газом или за счет повышения температуры.

 

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.