Senzori pentru Umiditate

METODE PENTRU MĂSURAREA UMIDITĂŢII

1. Introducere

Controlul umidităţii relative este esenţial în producţia de textile, hârtie, alimente, medicamente şi de asemenea în procesul de fabricaţie al circuitelor integrate. Bazate pe principii şi tehnologii diferite, au fost propuse diverse tipuri de dispozitive sensibile la variaţii ale umidităţii. Toate acestea folosesc de regulă materiale la care rezistenţa electrică sau constanta dielectrică pot fi influenţate de valorile umidităţii.

Utilizarea tehnologiei siliciului a permis obţinerea unor senzori de umiditate deosebit de eficienţi remarcându-se îndeosebi trei categorii de astfel de dispozitive:

a) Senzori capacitivi de umiditate integraţi [1] care includ în aceeaşi structură o diodă pentru măsurarea temperaturii şi un condensator având ca izolator o răşină poliamidică cu constanta dielectrică dependentă de umiditatea relativă (RH). Circuitele pentru conversia variaţiilor capacităţii în variaţii de frecvenţă pot fi integrate pe acelaşi cip. Pentru un dispozitiv tipic, la modificarea RH în domeniul 10% - 100% s-au pus în evidenţă valori ale capacităţii cuprinse între 210 pF şi 260 pF.

b) Senzori MOSFET sensibili la umiditate [1] a căror funcţionare se bazează pe modificarea conductanţei canalului, determinată de schimbări în stratul izolator al porţii ca efect al variaţiilor umidităţii relative.

c) Senzori de umiditate cu punct de condensare integraţi [2] care permit determinarea umidităţii prin măsurarea punctului de condensare. Senzorul propriu-zis constă într-un condensator cu structură deschisă dispus la partea superioară a unui strat de siliciu pe un element miniatural (Peltier) de răcire.

În substratul de siliciu este integrată o diodă (figura 1) pentru măsurarea temperaturii cipului. Această temperatură poate fi coborâtă dacă elementul de răcire este parcurs de un curent corespunzător. La atingerea punctului de condensare, capacitatea condensatorului creşte brusc, deoarece constanta dielectrică a apei este destul de ridicată.

Se notează temperatura TC a punctului de condensare şi din curba care exprimă presiunea de saturaţie a vaporilor de apă funcţie de temperatură se determină Pc. Cunoscându-se presiunea de saturaţie la temperatura ambiantă Pa se calculează umiditatea relativă: . Dacă prin utilizarea reacţiei, semnalul de la ieşirea circuitului de măsurare a capacităţii este folosit pentru controlul curentului prin elementul de răcire, se poate menţine constantă cantitatea de apă condensată.

2. Caracterizarea senzorului de umiditate MOSFET

Figura 2 prezintă un senzor MOSFET sensibil la umiditate. Structura obişnuită de poartă a fost înlocuită cu o structură mai complexă care include o poartă subţire din aur poros, o membrană sensibilă la umiditate realizată dintr-un strat de acetat de celuloză (1 m), o poartă standard din aluminiu, un strat de Si3N4 şi altul de SiO2.

Considerându-se rezistenţa RB de interconectare între cele două porţi de valoare foarte mare, pe baza circuitului echivalent al MOSFET-ului sensibil la umiditate se deduce dependenţa dintre tensiunea de ieşire vo şi umiditate exprimată prin capacitatea Cm, a membranei sensibile la umiditate.

Aplicând divizorul de tensiune rezultă:

(1)

în care reprezintă capacitatea stratului de acetat de celuloză, iar este capacitatea stratului izolator de poartă.

Dacă se obţine:

(2)

Ţinând seama de expresia amplificării la frecvenţe joase se deduce:

(3)

Ultima relaţie exprimă un răspuns liniar al senzorului.