К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ВЛАГОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЕМКОСТНЫХ СЕНСОРОВ ВЛАЖНОСТИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ SiO₂ - Al₂O₃

А.Я. Дикевич, *А.И. Бутурлин, А.Н. Копейкин

(Москва, ООО «Микрофор», Зеленоград, ЮПЗ, пр. 4922,

*Москва, МГИЭТ (ТУ), Зеленоград, К-498)

 

 

Емкостные сенсоры находят широкое применение для измерения влажности (точки росы) технологических газов благодаря их  относительно низкой стоимости, высокой чувствительности и широкому диапазону измерений. Большинство серийно выпускаемых сенсоров (Panametrics, Show, Xentaur и др.) в качестве влагочувствительного слоя используют оксид алюминия, формируемый анодным окислением алюминиевого электрода сенсора. Опыт работы различных организаций (Газпром, Мосэнерго и др.) с приборами на основе этих сенсоров показал, что их реальные характеристики существенно хуже заявленных. Особенно это относится к долговременной стабильности, погрешности и диапазону измерений.

В связи с этим задача улучшения метрологических характеристик сорбционно-емкостных сенсоров точки росы остается крайне актуальной.

Наиболее перспективным направлением совершенствования характеристик сенсоров представляется поиск новых материалов влагочувствительного слоя и технологий его формирования для чего необходимо иметь ясное представление о механизме влагочувствительности емкостных сенсоров.

Исследования, направленные на изучение механизма влагочувствительности, проводились на сенсорах, выпускаемых фирмой "Микрофор" (Россия), предназначенных для измерения влажности газов в составе гигрометра «Ива-8» диапазоне –70...-20 ºС точки росы. Сенсор выполнен в виде тонкопленочного конденсатора с влагопроницаемым верхним электродом и диэлектрическим (влагочувствительным) слоем на основе SiO₂-Al₂O₃ толщиной около 0,2 мкм. Влагочувствительный слой формировался путем центрифугирования пленкообразующего раствора на основе элементоорганических соединений.

Для определения механизма влагочувствительности был проведен ряд исследований, направленный на уточнение эквивалентной схемы сенсора, определение зависимости диэлектрической проницаемости влагочувствительного слоя от величины сорбции воды и оценку температурной зависимости диэлектрической проницаемости.

Для определения эквивалентной электрической схемы сенсора были измерены амплитудно-частотные характеристики сенсора в схеме, показанной на рис.1, в диапазоне частот 0,02-100 кГц и точки росы от –70 до -20 ºС. Результаты измерений приведены на рис.2.

Рис.1. Схема измерений частотных характеристик сенсора.

 

 

 

 

 

 

 

 

А = Uвых/Uг

Измерения зависимости емкости и проводимости сенсора от точки росы на частоте 1 кГц, результаты которых представлены на рис.3, показали, что емкость сенсора практически линейно зависит от точки росы и в диапазоне от -70 до -20 ºС увеличивается на 60%, проводимость сенсора в этом же диапазоне возрастает более чем на порядок, причем реактивная составляющая вносит основной вклад в импеданс сенсора.

Рис.2. Частотные характеристики сенсора при различной точке росы.

Рис. 3 Емкость и проводимость сенсора при различной точке росы.

Анализ представленных данных показывает, что эквивалентную электрическую схему сенсора можно представить в виде параллельно соединенных резистора и конденсатора, причем реактивная составляющая проводимости существенно превосходит активную, а величина емкости сенсора и, соответственно, диэлектрическая проницаемость влагочувствительного слоя незначительно зависят от частоты измерительного сигнала.

Таким образом выходной сигнал сенсора обусловлен главным образом изменением диэлектрической проницаемости влагочувствительного слоя при сорбции влаги.

Для исследования зависимости диэлектрической проницаемости от величины сорбции воды влагочувствительный слой был нанесен на поверхность массочувствительного кварцевого резонатора и поверх него был напылен влагопроницаемый золотой электрод. Такая структура позволила проводить одновременное измерение величины сорбции воды методом пьезокварцевого микровзвешивания и измерение диэлектрических характеристик влагочувствительного слоя путем измерения емкости конденсатора, образованного электродом кварцевого резонатора, влагочувствительным слоем и влагопроницаемым электродом.

На рис.4,5 представлены зависимости емкости влагочувствительного слоя и величины сорбции от точки росы газа.

Зависимость изменения диэлектрический проницаемости влагочувствительного слоя от количества сорбированной воды показана на рис.6.

                Из представленных данных видно, что величина гиcтерезиcа на изотерме cорбции значительно превышает cоответcтвующую величину на завиcимоcти емкоcти от точки росы. Принято считать, что гистерезис на изотерме сорбции обусловлен капиллярной конденсацией воды в микропорах. Меньшая величина гистерезиса на зависимости «емкость-точка росы» указывает на то, что сорбированная вода присутствует во влагочувствительном слое по крайней мере в двух формах – «поверхностной» и капиллярной, причем зависимость диэлектрической проницаемости от количества капиллярной влаги существенно меньше, чем от «поверхностной».

 

Рис.4 Зависимость емкости влагочувствительного слоя от точки росы.

Рис.5 Величина сорбции для влагочувствительного слоя при различной точке росы.

Рис.6. Зависимость изменения диэлектрический проницаемости влагочувствительного слоя от количества сорбированной воды.

                Из представленных данных видно, что величина гиcтерезиcа на изотерме cорбции значительно превышает cоответcтвующую величину на завиcимоcти емкоcти от точки росы. Принято считать, что гистерезис на изотерме сорбции обусловлен капиллярной конденсацией воды в микропорах. Меньшая величина гистерезиса на зависимости «емкость-точка росы» указывает на то, что сорбированная вода присутствует во влагочувствительном слое по крайней мере в двух формах – «поверхностной» и капиллярной, причем зависимость диэлектрической проницаемости от количества капиллярной влаги существенно меньше, чем от «поверхностной».

Рис. 7. Переходная характеристика датчика при ступенчатом изменении его температуры. Точка росы -33,1 °С.

 

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости оценивалась следующим образом. На обратной стороне подложки, на которой был выполнен сенсор, размещался нагреватель с известным ТКС, включенный в схему стабилизации температуры. Схема позволяла ступенчато за время не более 2...3 с изменять температуру сенсора с 30 до 50 ºС и обратно. Переходные характеристики изменения емкости и проводимости сенсора были сняты при различных значениях влажности.

Было установлено, что при ступенчатом увеличении температуры сенсора его емкость сначала скачкообразно возрастает со скоростью, близкой к скорости нагрева сенсора, затем начинает постепенно уменьшаться. При ступенчатом уменьшении температуры поведение сенсора аналогично – емкость сенсора скачкообразно уменьшается, затем начинает постепенно увеличиваться. Величина изменений и динамические характеристики зависят от значения влажности.

Полученные закономерности указывают на то, что температурный коэффициент диэлектрической проницаемости влагочувствительного слоя положителен. Этим объясняется первоначальный скачок емкости сенсора при ступенчатом изменении температуры. Последующее медленное изменение емкости сенсора обусловлено процессами сорбции/десорбции воды при установлении равновесной величины сорбции воды, соответствующей новому значению температуры.

Описанная методика позволяет также определить температурную зависимость сенсора влажности, а также его динамические характеристики.

Приведены результаты исследований температурной зависимости сенсора при ступенчатом изменении температуры при давлении 10^-7 Бар. Установлено, что динамические характеристики сенсора существенно отличаются от характеристик сенсора, находящегося при нормальном давлении и имеющего то же значение емкости.

На основе полученных результатов обсуждаются механизмы влагочувствительности сенсора.

Рис. 8 Переходная характеристика датчика при ступенчатом изменении его температуры.

Точка росы –62.3 °Ст.р

Рис. 9. Переходная характеристика датчика при ступенчатом изменении его температуры.
 Точка росы -72.8 °С т.р.