Tankoplastni polimerni kapacitivni senzor relativne vlažnosti
Thin-film polymer capacitive type relative humidity sensor
K. Požun, B. Paradiž, 1EVT, Ljubljana
Predsta\'ljamo zgradbo in osnove delovanja tankoplastnega kapacitivnega senzorja relativne vlažnosti, ki ima za dielektrik polimeren film. Obravnavamo problem depozicije vrhnje elektrode, ki mora biti ob primerni električni prevodnosti dovolj porozna, da ima senzor hiter odziv na spremembe relativne vlažnosti v okolju. Določili smo vpliv kota med izvorom in senzorsko strukturo pri naparevanju vrhnje elektrode na odzivni čas senzorja.
Ključne besede: relativna vlažnost, kapacitivni senzor, odzivni čas, nanašanje tankih plasti
Operation principles and structure of a thin-film polymer capacitive type relative humidity sensor are presented. Deposition of the upper electrode, which must have good electrical conductivity and be porous enough was investigated. Influence of the angle betvveen source and sensor at evaporation of the upper electrode on the response time was determined.
Key words: relative humidity, capacitive sensors, response time, thin-film deposition
1 Uvod
Vlažnost zraka je eden najpomembnejših parametrov, ki vplivajo na zaneslijvost in trajnost preciznih izdelkov, zlasti v elektroniki. Pospešene raziskave na področju avtomatskega merjenja in krmiljenja zračne vlage so vodile do zamenjave mehanskih detektorjev s senzorji, ki v odvisnosti od vlažnosti okolnega zraka spreminjajo svoje električne karakteristike in so zato primernejši za vgradnjo v elektronske merilnike. V grobem ločimo uporovne in kapacitivne senzorje. Kot material za izdelavo senzorjev uporabljajajo različne soli, v zadnjem času pa predvsem keramične materiale in polimere1.
Pri tankoplastnem kapacitivnem polimernem senzorju relativne vlažnosti (slika 1) se njegova električna kapacititeta spreminja v odvisnosti od količine vode, absorbirane vplasti polimera. Vrhnja elektroda senzorske strukture mora biti porozna tako, da se po določenem času lahko vzpostavi ravnovesje med absorbirano količino vode v polimeru in relativno vlažnostjo okolnega zraka. Odzivni čas senzorja je odvisen predvsem od debeline polimerne plasti in prepustnosti vrhnje elektrode za vodno paro. Minimalna debelina polimerne plasti je določena z zahtevo po primerni prebojni napetosti senzorske strukture, zato lahko čim kraj ši odzivni čas dosežemo predvsem z ustrezno pripravo vrhnje elektrode.
Rast naparjene kovinske plasti je odvisna od kota med izvorom m substratom pri depoziciji23. Z naparevanjem zgornje elektrode pri različnih kotih smo skušali doseči njeno čimvečjo poroznost in tako skrajšati odzivni čas senzorja.
zaxnja elektroda
Slika 1. Zgradba tankoplastnega polimernega kapacitivnega senzorja relativne vlažnosti.
Figure 1. Structure ofthe thin-film polymer capacitive sensor of relative humidity.
2 Eksperimentalni del	(
Kot osnovo za pripravo senzorske strukture smo uporabili brušen m poliran steklen substrat z vtaljenimi električnimi prevodi. Na substrat smo skozi maske v visokem vakuumu naparili spodnji elektrodi. Nato smo na substrat z uporabo centrifuge nanesli približno 1 pm debelo plast polimera (derivat celuloze)/4/. Pred depozicijo vrhnje elektrode smo polimerni film aktivirali v rahlo oksidativni plazmi in tako doseglibolj šo adhezijo. Kot material za vrhnjo elektrodo smo uporabili zlitino NiCr 20-80. Naparili smo jo termično iz W uporovne ladjice in oblikovali s pomočjo
maske. Hitrost nanašanja plasti smo spremljali s kvarčno tehtnico. Vrhnjo elektrodo smo naparevali pri različnih kotih 0, ki smo j ih definirali za kote mednormalo na substrat in uporovno ladjico. Debelino vrhnje elektrode smo merili z mehanskim merilcem višine stopnice TENCOR Alfa Step 100 na poliranem steklenem substratu, ki smo ga naparevali hkrati in pod enakimi pogoji kot vrhnjo elektrodo. Kapac-itivnost senzorskih struktur smo merili z RCL merilnikom Promax MZ-705 pri frekvenci 10 kHz. Časovni odziv smo merili z napravo za zelo hitro mešanje suhega in vlažnega zraka pri stopničastih spremembah.
3 Rezultati in diskusija
Vrhnje elektrode senzorskih struktur smo naparili pri kotih 0°, 30°, 45°, 60° in 75°. Prevodnost vrhnje elektrode je bila zadovoljiva, saj je tg delta v vseh primerih znašal manj kot 0,01. Vsem senzorskim strukturam smo ob predpostavki, da je koeficient kondenzacije neodvisen od kota, s pomočjo meritev s kvarčno tehtnico in ob upoštevanjem korekcijskega faktorja cos 6 naparili vrhnjo elektrodo z enako ploskovno gostoto mase. Izračunana debelina plasti ob upoštevanju kosovne gostote uporabljene NiCr zlitine je bila 100 nm. Meritve debeline naparjene plasti na steklenih substratih pa so pri različnih kotih naparevanja pokazale različne vrednosti (tabela 1). Razlike pripisujemo različni gostoti in s tem različni poroznosti plasti.
Tabela 1. Debeline NiCr plasti z enako maso na ploskovno enoto naparjenih pri različnih kotih.
Table 1. NiCr layer thicknesses with same mass on the surface unit thermally evaporated at different angles.
6(°)	d(nm)
0	95
30	110
45	125
60	120
75	125
Odzivni čas senzorjev smo merili pri trenutni spremembi od 0% do 100% in od 100% do 0% relativne vlažnosti pri kon-stantni temperaturi 230° in hitrosti zračnega toka 0,5 ras1. Rezultati meritev so prikazani na sliki 2 in 3.
Časovni odziv senzorjev pri prehodu iz suhega v vlažen zrak se bistveno ne razlikuje od obratnega prehoda. V obeh primerih smo najhitrejši odziv dosegli pri senzorjih z zgornjimi elektrodami naparjenimi pod kotom 45°. Pri večjih kotih se hitrost odziva zmanjša kljub temu, da se po podat-t kih iz tabele 1 poroznost razlikuje le znotraj napake meritve. To kaže, da je poleg poroznosti potrebna tudi primerna mikrostruktura zgornje elektrode.
4 Sklep
Z naparevanjem zgornje elektrode pod ustreznim kotom je mogoče skrajšati odzivni čas tankoplastnega polimernega kapacitivnega senzorja relativne vlažnosti zraka.
1(5)
Slika 2. Časovni odziv kapacitete senzorjev vlage z vrhnjimi elektrodami naparjenimi pod različnimi koti pri spremembi
relativne vlažnosti od 0% do 100%. Figure 2. Capacitance response of the humidity sensors vvith upper electrode evaporated at different angles. Relative humudity was changed from 0% to 100%.
t (s)
Slika 3. Časovni odziv kapacitete senzorjev vlage z vrhnjimi elektrodami naparjenimi pod različnimi koti pri spremembi
relativne vlažnosti od 100% do 0%. Figure 3. Capacitance response of the humidity sensors vvith upper electrode evaporated at different angles. Relative humidity was changed from 100% to 0%.
5 Literatura
1	M.Sato, JEE, February 1993, 60
2	S.Takeda, Vacuum 41 (1990), 1769
J P Meakins, Phys.Rev, A38, (1988), 994 4 A. Banovec, M. Kern, Zbornik referatov SD-89, Nova Gorica, 1989, 185