Калориметричний сенсор з плаваючою мембраною: еквівалентна електрична схема та параметри. Термічний сенсор вологості

Рис. 6.14: а) сенсор з плаваючою мембраною; б) еквівалентна електрична схема

З погляду еквівалентної схеми структура з плаваючою мембраною є найпростішою конфігурацією для термічного сенсора (рис. 6.14, а). Спочатку на кремнієвій підкладці методами селективного хімічного травлення створюють мембрану, а потім більшу частину мембрани на межі з кремнієвою оправою витравляють таким чином, що вона тримається лише на кількох нитках до оправи. Ці нитки й визначають термічний опір структури, а сама мембрана є підкладкою для створення приладу для реєстрації нетермічного фізичного сигналу. На мембрані виготовляють, наприклад, термопару, за допомогою якої вимірюють різницю температур між плаваючою мембраною та оправою (вважається, що остання перебуває при температурі навколишнього середовища). Така структура має велику активну площу мембрани (гарячий контакт) і великий термічний опір для витоку тепла, оскільки підвішені нитки вузькі й мають велику довжину.

Еквівалентну схему термічної системи описують математично такими самими рівняннями, що й електричні прилади. Такий підхід ґрунтується на тому, що такий термічний параметр, як температура Т (град) відповідає електричному параметру напруги U (В). Тоді тепловий потік P і по-тужність відповідатимуть електричному струму J (А). Дійсно, коли в матеріалі існує температурний градієнт, тепло поширюється від гарячого

кінця до холодного й тепловий потік Р (вимірюється в одиницях Вт/м²) буде пропорційний температурному градієнту вздовж напрямку х: (6.16) де k_T – коефіцієнт термічної провідності (Вт/град* м). Тоді, враховуючи, що k_T відповідає електричній провідності σ, а Т відповідає напрузі U, запишемо, що , оскільки . Теплота Q_m (Дж = Вт* с) відповідає електричному заряду Q_e (А*с):

Q_e = Jt = Pt = Q_m. Тепловий опір R_m (град/Вт) відповідає електричному опору R_e(Ом = В/А), оскільки . Теплова провідність G_m (Вт/град) відповідає електричній провідності G_e (Ом^–1), оскільки Теплова ємність C_m (Дж/град) відповідає електричній ємності C_e (Ф = А*с/В), оскільки . Еквівалентна схема сенсора містить (рис. 6.14, б): термічну провідність нитки 1/ R_beam, термічну ємність структури C _film, паразитну провідність G_film за рахунок втрат плаваючої мембрани при конвекції, радіації та теплової провідності через газ. Змінна провідність G_sen є бажаною провідністю, яку створює фізичний сигнал. За рівноважних (стаціонарних) умов температура сенсора вища температури навколишнього середовища T_amb: (6.17). Час відповіді сенсора коли потужність нагріву різко змінюється від 0 до постійної величини Р₀ при t = 0, задається як: (6.18), де часова константа τ_film

визначається загальною термічною провідністю та термічною ємністю:

(6.19). Тобто це еквівалентно електричній RC часовій константі. Із формули (6.19) можна легко встановити, як треба оптимізувати параметри термічного сенсора мембранного типу для покращення його швидкодії. У цілому, перевагами термічного трансдьюсера для газових сенсорів є широка область його лінійності (до 5 порядків) і висока чутливість. Серед недоліків треба відзначити необхідність температурної стабілізації, оскільки зміна температури навколишнього середовища спотворює вихідні параметри сенсора. Для усунення цього недоліку застосовують складні мембранні структури та диференціальні пари сенсорів. Другою проблемою є необхідність уникати інтерференції ефектів, коли при одночасній адсорбції кількох газів можуть відбуватись складні хімічні реакції як з поглинанням, так і вивільненням теплової енергії, в той час як сенсор буде вимірювати тільки результуючу теплову дію.

Рис. 6.15. Тиск насиченої пари як функція температури; відносна вологість при Та визначається як PV/Ps

ТЕРМІЧНИЙ СЕНСОР ВОЛОГОСТІ

Напівпровідникові транзисторні та термопарні структури можна використати для визначення вологості. Вологість визначається концентрацією молекул води в повітрі. Проте для користувача більш зручним є знання парціального тиску водяної пари, абсолютної вологості (вага водяної пари в одиниці об'єму), відносної вологості (відношення тиску водяної пари до тиску насиченої пари при даній температурі) і точки роси (температура конденсації водяної пари Т_d). Так званий сенсор або метод точки роси використовує точне знання співвідношення між тиском насиченої пари води P_S і температурою (рис. 6.15). Незалежно від оточуючої температури Тa, тиск пари води при даній температурі P_V в ізобаричному процесі сталий: (6.20). Тобто метод полягає в охолодженні газу, детекції випадання роси та вимірюванні температур Т_a та Т_d. Охолодження здійснюється елементами Пельтьє /Peltier/. Детекцію випадання роси можна здійснювати на холодному боці елемента Пельтьє

оптичними методами (спостерігаючи появу водяних крапель) або ємнісними при вимірюванні зміни ємності між електродною парою (використовують IDT-електроди). Коли відбувається конденсація, ємність між електродами різко зростає завдяки збільшенню діелектричної сталої від 1 (вологе повітря) до 80 (вода). Електрична детекція точки роси має переваги над оптичним методом – малі розміри ємності, простота конструкції та можливість інтеграції з КМОН-технологією. Планарна ємнісна структура виготовляється на тому самому кремнієвому кристалі, що й температурний сенсор. Такі сенсори використовують для контролю вологості у трубопроводах, приміщеннях тощо.