Конденсационные датчики. 
Информационно-измерительная техника и электроника. 
Преобразователи неэлектрических величин

Конденсационный метод (или метод точки росы) основан на фиксации температуры конденсации паров воды в газовой фазе [1,2]. В последнее время интерес к этому методу повысился в связи с разработкой эффективных средств охлаждения, надёжных и точных способов регистрации момента выпадения конденсата и измерения температуры, а также в связи с необходимостью измерения влажности внутри малых объёмов корпусов ИС.

К достоинствам метода, прежде всего, относятся возможность измерения влажности в широком диапазоне концентраций паров воды, температуры и давления анализируемой среды, а также градуировки датчиков по температуре, а не по влажности.

При реализации метода необходимо выполнение операций peiynnpyeмого охлаждения конденсирующей поверхности детектора с точной фиксацией момента появления слоя конденсата и одновременной регистрацией температуры конденсирующей поверхности.

Для охлаждения используются термоэлектрические холодильники (до температур ~ 203 К), а также криогенные жидкости (жидкие азот, воздух, гелий).

Для измерения температуры конденсирующей поверхности детектора применяются термопары и терморезисторы.

Для определения момента образования слоя конденсата и выявления его параметров применяют способы, основанные на измерении оптических (в видимой и ИК областях спектрах) и электрических характеристик конденсата (чаще всего поверхностного сопротивления).

Для индикации слоя конденсата применяют также иьезокварцевый резонатор, включённый в схему генератора, добротность которого резко уменьшается в момент выпадения на поверхности резонатора слоя конденсата, что приводит к резкому изменению частоты генерации. Высокая чувствительность такого метода объясняется чрезвычайно высокой массовой чувствительностью кварцевого резонатора, который регистрирует изменения маесы Ю'⁸-10'¹⁰ г.

В методе регистрации слоя конденсата с помощью фотоэлементов (фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов) определение основано на сравнении интенсивности световых потоков, отражённых от чистой зеркальной конденсирующей поверхности и от поверхности со слоем конденсата.

В связи с необходимостью измерения влажности в корпусах ИС возрос интерес к методам регистрации конденсата по изменению поверхностной проводимости или межэлектродной ёмкости. Простейшие датчики поверхностно-конденсационного типа представляют собой подложку из окисленного кремния или другого диэлектрика, на которую нанесены два металлических электрода, чаще всего гребенчатой формы.

Структура двухэлектродного датчика точки росы резистивноемкостного типа представлена на рис. 57.

Поверхностная проводимость такой структуры при приближении к точке росы увеличивается по закону, близкому к экспоненциальному. Образование на поверхности твердой фазы (льда) приводит к резкому уменьшению электропроводности конденсата.

Типичная зависимость тока датчика 1_д конденсационного типа при измерении влажности в объеме корпуса ИС представлена на рис. 58.

Охлаждение корпуса ИС проводят со скоростью нс более 15 К/мин.

Структура полупроводникового датчика точки росы емкостного типа (без датчика температуры) фирмы Philips Telecommunication (США) представлена на рис. 59.

Датчик используется для контроля содержания влаги в корпусах ИС по изменению паразитной межэлектродной ёмкости структуры. При этом изменение ёмкости порядка 1пФ фиксируется с помощью чувствительного ёмкостного моста.

В гребенчатых (А1 или поли Si) электродах расстояние d₃ в несколько раз больше, чем d] для сведения к минимуму последовательного сопротивления электродной полоски, d| и d₂ делаются как можно меньше для увеличения межэлектродной емкости.

Датчик выполнен по стандартной биполярной технологии, в качестве датчика температуры используется биполярный транзистор п-р-п типа, формируемый диффузией в эпитаксиальном слое.

Межэлектродная емкость 17.2±0.3 пФ (85% которой обусловлено емкостной связью через подложку, а 15% связью через надповерхностный слой) зависит от содержания влаги.

Для увеличения емкости между электродами разработана структура датчика МДП-типа с увеличенной плотностью компоновки, представленная на рис. 60. Гребенчатая структура электродов из поли Si сформирована травлением.

При одной и той же площади данный датчик имеет более высокую чувствительность по сравнению с предыдущей конструкцией за счет конденсации в углублениях между электродами.

Рис. 57. Двухэлектродный датчик росы резистивно-емкостного типа: 1,2 — электроды; 3 — датчик температуры.

Рис. 58. Характеристика датчика конденсационного типа.

Рис. 59. Структура датчика точки росы емкостного типа.

Основным недостатком кондуктометрического способа регистрации слоя конденсата, как и конденсационного метода в целом, является зависимость показаний от степени загрязнённости поверхности.

Для устранения этого недостатка поверхность конденсационной площадки между электродами покрывают тонким слоем гигроскопичной соли NaCl или малорастворимыми в воде ортофосфатами цинка, лития, кальция, свинца, железа и магния.

Конденсация влаги на поверхности таких датчиков сопровождается резким изменением сопротивления между электродами вследствие протекания реакции типа.

Низкая растворимость ортофосфатов (меньше МО'⁶ г на 100 г воды для Zn3(PC>4)2) обеспечивает высокую стабильность датчиков. Так, преобразователи со слоем ортофосфата цинка толщиной 10−500 мкм выдерживают длительное воздействие высокой влажности и предназначены для определения сконденсированной влаги на стеклах автомобиля.