1 Czujniki wilgotności Wilgoć – ilość wody w ciele stałym lub cieczy.Wilgotność bezwzględna– masa pary wodnej w jednostce objętości gazu. Wilgotność względna RH (ang. relative humidity) – stosunek aktualnej prężności pary wodnej do prężności nasycenia ps w tej samej temperaturze pw – ciśnienie parcjalne pary wodnej Temperatura punktu rosy (ang. dew point) – temperatura, w której RH osiąga wartość 100%. W punkcie tym pojawiają się kropelki wody (w niskiej temperaturze poniżej OoC może pojawić się szron).

2 Zależności między wilgotnościamiWigotność względna powietrza w funkcji temperatury i wilgotności bezwzględnej

3 Rezystancyjne czujniki wilgotnościNBS Dunmore 1938 Obecnie struktury warstwowe Materiał higroskopijny

4 Czujniki piezorezystancyjneHigroskopijna warstwa poliimidu pęcznieje powodując modulację naprężenia technologicznego membrany oraz zmianę rezystancji 4 piezorezystorów p+ - Si (szczegóły na nast. stronie)

5 Czujniki piezorezystancyjne, c.d.Cztery piezorezystory umieszczone są na krawędzi membrany prostopadle i równolegle do tej krawędzi. Napięcie na wyjściu mostka jest liniową funkcją różnicy naprężeń w rezystorze prostopadłym σL i równoległym σP do membrany π44 – wsp. piezorezyst. krzemu (100) w kierunku <110> R. Buchhold i in. Sens.&Act.B 53 (1998) 1-7

6 Czujnik rezystancyjny – przykład zastosowaniaDla niskiej RH: R~1kW, na wyjściu komp. stan niski, diody LED nie świecą. Wzrost RH do 80%: wzrost R, stan wysoki na wyjściu komp., LED1 zapalona, poprzez optoizolację IC2 może być wysterowane urz. zewn. (np. wyłączenie).

7 Czujniki rezystancyjne zintegrowaneZintegrowany czujnik typu rezystancyjnego w technologii CMOS-MEMS. Polikrzemowy rezystor RS zmienia rezystancję na skutek absorpcji pary wodnej przez wierzchnią warstwę WO3. Vout = - RS/R1 ·Vin C.L. Dai i in. Sens.&Act.B123 (2007) 896

8 Czujniki rezystancyjne zintegrowanePorowata czuła warstwa w postaci nanodrutów WO3 Fotografia zintegrowanego czujnika wilgotności w technologii 0,35 μm C.L. Dai i in. Sens.&Act.B 123 (2007) 896 Wytw. wzmacniacz operacyjny

9 Czujniki rezystancyjno-pojemnościowePomiar impedancji Z Obwód zastępczy kanalika i otoczenia Anodyzowane Al R0, C0 – warstwa tlenku RS – ścianka kanalika RB, CB – obszar miedzy dnem kanalika i elektrodą Al

10 Czujniki pojemnościoweZmiana przenikalności elektrycznej materiału higroskopijnego jest proporcjonalna do wilgotności względnej w otoczeniu czujnika. Czas reakcji: s. Zmiana pojemności: 0,2 do 0,5pF (*) dla zmiany RH o 1% i pojemności znamionowej wynoszącej pF w warunkach 50% RH i +25°C. *http://iopscience.iop.org/ /23/1/014003/article

11 Czujniki pojemnościoweCzujniki pojemnościowe o różnej konfiguracji elektrod: międzypalczaste, spiralne, z elektrodą oczkową. Nieliniowe własności pojemności w funkcji RH n – czynnik zależny od budowy dielektryka εd – przenikalność w stanie suchym J.G. Korvink i in., Sens. Mater. 4 (6) (1993)

12 Czujniki pojemnościoweTechnologie mikroelektroniczne Membrana z zagrzebanym grzejnikiem Si do odświeżania, wierzchnimi elektrodami typu mesh i warstwą porowatego krzemu (PS) czułą na wilgoć. G.M. O`Halloran i in., Delft Univ. Press (1999) 1919 Sensor typu bulk z wierzchnim grzejnikiem i sensorami temp. Warstwę PS pokrywają elektrody typu mesh. Z.M. Rittersma i in., Sens. Mater. 12 (1) (2000) 035

13 Czujniki grawimetryczneElement oscylacyjny (kwarc) pokryty jest warstwą czułą o własnościach higroskopijnych. Dla cięcia AT, 35o15’ względem optycznej osi z kwarcu: Δm jest wyrażone w gramach, A w cm2 a f w MHz Korzystne jest zatem duże fo.

14 Sensor mikrowagowy w układzie oscylatoraTypowe parametry dla kwarcowego sensora mikrowagowego są następujące: f0 = 10 MHz, Δfmin = 0,1 Hz, Δfmax = 1 – 10 kHz. W takim przypadku możliwe staje się wykrywanie zmian masy na poziomie 0,1 ng/cm2. W pomiarach z użyciem komputera wygodnie jest stosować przetwornik częstotliwość/napięcie, które podawane jest na wejście karty pomiarowej do akwizycji danych.

15 Czujnik grawimetrycznyBelka rezonansowa z warstwą piezoelektryka PVDF i elektrodami Al. Wydłużanie i skracanie się piezoelektryka powodują drgania belki, na które wpływa masa adsorbowanej wody. A. Gluck i in. Sens.&Act.B 18/19 (1994)554

16 (Surface Acoustic Wave)Sensory z akustyczną falą powierzchniową SAW (Surface Acoustic Wave) Fala powierzchniowa w piezoelektryku Fala Rayleigha to złożony przebieg mający składową w postaci fali podłużnej oraz przesuniętą o π /2 składową poprzeczną, które zanikają w zupełności na głębokości rzędu dwu długości fali

17 Sensory SAW, przetwornik międzypalczastyo okresie L i aperturze W. Warunek na częstotliwość rezonansową: Zmieniając okres L przetwornika można wytwarzać fale SAW w szerokim zakresie częstotliwości. Dla kwarcu używany zakres częstotliwości określony jest w przedziale od ok. 30 MHz do 1 GHz.

18 Rezonator SAW Rezonator SAW z warstwą higroskopijną.Materiał podłożowy: kwarc o orientacji STX lub YZ LiNbO3. Zakres częstotliwości od kilkudziesięciu do kilkuset MHz. Reflektory odbijają fale w kierunku przetwornika. Paski metalu rozmieszczone są co l/2 gdzie l jest długością fali akustycznej. W takim przypadku fale odbite mają jednakową fazę i wsp. odbicia staje się duży. Zwierciadła tworzą wnękę rezonansową, w której powstaje fala stojąca o ściśle określonej częstotliwości dla danej odległości między zwierciadłami.

19 Generator z rezonatorem SAWRezonator z warstwą gazoczułą jest umieszczony w obwodzie sprzężenia zwrotnego generatora. Warunek na wzmocnienie pętli: K(f) > 1, warunek fazy: Fs + Fe = 2np  gdzie n = 1,2,3,..., Φe przesunięcie wnoszone przez wzmacniacz i doprowadzenia, Φs - przesunięcie wnoszone przez rezonator. Zakładając, że Φe<< Φs, można z powyższych warunków oraz faktu, że Φs = 2ps/l gdzie s – droga propagacji fali akustycznej, otrzymać związek między generowaną częstotliwością i prędkością fali:   2np = 2ps/l i po kolejnych przekształceniach uzyskujemy l = s/n v / f = s/n f = n v /s Zatem zmiana prędkości daje bezpośrednio zmianę częstotliwości drgań Df/f = Dv/v  Generator w układzie Colpittsa z rezonatorem SAW w układzie sprzężenia zwrotnego pracujący przy częstotliwości MHz* *Nimal A.T., i in. “Sensors and Actuators B” 2006, vol. 114

20 Sensory SAW, linie opóźniającePomiar przesunięcia fazowego w różnicowej konfiguracji linii opóźniających Układ detekcyjny zmiany częstotliwości generatora z rezonatorem SAW w konfiguracji różnicowej. Wykrywa się zmiany częstości rzędu 10-8. Rezonator SAW w rezonansie odpowiada połączeniu szeregowemu RLC z rówoległą pojemnością C0.

21 Linie opóżniające, cd. Przesunięcie częstości międzyobu sensorami zależy od zaabsorbowanej wilgoci (RH) przez warstwę higroskopijnego polimeru PVA M. Penza i in. Sens.& Act.B 68 (2000)

22 Sensory SAW w wykorzystaniem nanomateriałówCzujniki wilgotności SAW o dużej czułości wykorzystują nanomateriały, np. PANI (polianilina). Nanomateriał wykazuje duży stosunek powierzchni do obj. i cechuje go duża głębokość penetracji wilgoci. SAW rezonator z wykorzystaniem nanowłókien PANI

23 Czujniki psychrometrycznePsychrometr - zasada działania termometr suchy i mokry w otoczeniu gazu nienasyconego, z mokrego odparowuje woda powodując jego oziębienie w efekcie powstaje różnica temperatur (tzw. różnica psychrometryczna), Jest ona liczbowym wskaźnikiem wilgotności gazu. T1 – T2 = f(swzgl)

24 Detektory punktu rosy Punkt rosy – temp., w której para i ciecz są w równowadze

25 Detektory punktu rosy Czujnik typu optycznego.Kondensująca para wodna zmienia amplitudę i polaryzację prom. odbitego S. Lomperski i in. Meas. Sci. Technol. 7 (1999)

26 Sensory punktu rosy– typ pojemnościowyCzujnik punktu rosy z wykorzystaniem membrany krzemowej; odmiana pojemnościowa. Przekrój membrany – pokazany fragment detektora pojemnościowego (nie w skali). R. Jachowicz et al. Sens.& Act. A 85 (2000)75-83

27 Sensory punktu rosy– typ pojemnościowy, cd.Zmiana pojemności wilgotnego detektora wraz z obniżaniem temperatury i tworzeniem się wody przechłodzonej przechodzącej następnie w lód (wg. R. Jachowicz i in.)

28 Pomiary wilgotności bezwzględnejMetoda pomiaru: Wykrywanie zmian przewodności cieplnej: wykorzystanie różnicy między przewodnością cieplną suchego gazu i przewodnością cieplną wilgotnego powietrza. Dwa termistory w układzie mostka: jeden zamknięty hermetycznie w obudowie z suchym azotem, drugi nieosłonięty. Moc wydzielana w termistorach w wyniku przepływu prądu generuje ciepło. Ze względu na różnicę przewodności termicznych ciepło jest w innym stopniu rozpraszane w otoczeniu termistora w azocie i w powietrzu. Wynika stąd różnica temperatur oraz różnica rezystancji termistorów, proporcjonalna do aktualnej wartości wilgotności bezwzględnej.

29 Porównanie wybranych sensorów wilgotnościMateriał Polimer termoutw. termoplast. termplast. Termoplastyk lity Lity Al2O3 Warstwa chlorku litu Podłoże Si szkło poliester ---- ceramika Parametr zmienny pojemność rezystancja przewodność Zakres RH 0 – 100% 2 – 90% 15 – 100% Dokładność RH ± 2,5 % ± % ± 3 % ± 1 % ± 2 % ± 5 % Histereza <1 do 3%RH 2 – 5% RH 2% RH ± 1% RH <2% RH b. słaba Liniowość ± 0,5% RH ± 2% RH logarytm. słaba Czas narastania 15 s 120 s 2 – 5 min 5 s 3 – 5 s Temperatura -40 – 85oC -40 – 180oC -40 – 100oC -40 – 70oC -50 – 100oC Czułość Temperatur. -0,22%RH/oC 0.1%RH/oC -0,3%RH/oC >1%RH/oC Stabilność długookres. ± 1% RH/5yr ± 1% RH/yr ±0,5% RH/yr < 1% RH/yr ± 3% RH/yr Odporność na zanieczyszcz. znakomita średnia do dobrej średnia Odporność na kondensację b. dobra nie odporna