用于監測濕度和/或環境酸度/堿度和/或腐蝕的集成電子設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于檢測與設備周圍的環境存在的、濕度、酸度/堿度相關的一種或多種參數的集成電子器件。本發明還包括用于檢測這類參數的監測系統和方法，使用上述設備的這類系統和方法。
【背景技術】
[0002]在檢測給定監測點周圍的環境的領域中，非常重要的是考慮到諸如濕度和酸度/堿度之類的參數。
[0003]如果在待監測的環境中存在由金屬制成的結構或結構的部分，則也很重要的是執行對這類金屬部分的腐蝕狀態的評定。
[0004]固體結構(諸如橋梁或者還有建筑、隧道、鐵路、水壩、水堤、城市地下鐵路的地下結構)的負載承受結構可以被認為是對于說明目的顯著的應用示例，然而并非是限制性的。具體而言，可以考慮建筑材料的結構(例如用金屬桿加固的混凝土組成的鋼筋混凝土 ) O
[0005]在此上下文中，用于監測與力或溫度相關的不同參數的設備和系統是已知的。例如，申請人的國際專利申請WO 2012/084295公開了用于在固體結構內部監測機械應力和/或壓力和/或溫度的設備，該設備包括其中包括至少一個集成傳感器和相關電路裝置的集成檢測模塊，以及用于向外部和從外部進行通信的電磁裝置。在WO 2012/084295中，集成檢測模塊包括完全涂覆集成傳感器和相關電路裝置的鈍化層以確保穩健性和長的操作壽命；然而，這一特征使得這類設備不能檢測濕度和/或酸度/堿度。檢測諸如濕度和/或酸度/堿度之類的參數的重要性就有意義和可靠的監測而言是至關重要的。
[0006]待監測的結構的設計師和維護技師需要評定由于存在的水和/或濕度劣化的進展。事實上，可以導致這類劣化的現象多種多樣。
[0007]就混凝土而言，這是通過水泥(為水硬性膠黏劑，其激活由于與水的化學反應而發生)結合的由具有不同尺寸的石頭聚合組成的人工石頭材料(稱為惰性物(inert))。惰性物具有范圍從幾十微米到幾十微米的尺寸。水泥顆粒具有范圍從I到50 μm的大小，并且它們填充存在于在整個多孔和滲透性物上的惰性物之間的空間，該空間確定了凝固的稀漿。混凝土可以具有不同程度的多孔性和滲透性，取決于其組成和惰性物和水泥顆粒的大小，然而可以用某種方式發現特定程度的多孔性和滲透性。
[0008]由于這一事實，濕度和/或其它大氣試劑和/或水(其在溶液中可以轉而包含不同的化學化合物)穿透到混凝土中并且可以導致若干化學/物理現象，從而劣化混凝土和存在于加固的混凝土中的桿(即加固鋼或鐵棒)的金屬兩者。在劣化的主要原因之中，可以提到以下原因。
[0009]碳化是由于濕氣、氧氣O2和二氧化碳CO2到水泥中的穿透。這類現象不涉及到混凝土的穩健性降低，但是它對于加固鐵棒是非常危險的。通常，在混凝土中，由于由水泥的水合作用形成的石灰，PH是強堿性的(12-14)并且鐵棒因此被鈍化并且通過附于鐵棒而不是穿透性的鐵氧化物的鈍化薄膜的形成而由這類堿性環境所保護，這防止了進一步的氧化。然而，在混凝土結構的最外層(也被稱為“混凝土外殼”)被CO2穿透時，石灰被破壞并且形成降低PH的碳酸鈣，確定了越來越酸的環境，并且在pH具有約8或7的值時開始鐵的腐蝕。此外，通過鐵棒的氧化形成的銹導致體積增加，確定了在混凝土上的牽引力，這可以裂開并且甚至導致混凝土外殼層由于張力負載而釋放；露出表面的鐵棒因此暴露于快速腐蝕，這可能導致結構的快速劣化并破壞其穩定性。
[0010]硫酸鹽腐蝕在滲透的水包括硫酸鹽時發生，硫酸鹽與水泥的氫氧化鈣、鋁酸鹽和硅酸鹽反應，因此形成石膏、鈣礬石和碳硫硅鈣石，因此導致混凝土中的膨脹、裂開和釋放或者聚合團的破裂。
[0011]氯化物腐蝕是由于例如在海水中發現的氯離子。氯化物導致在加固鐵棒上的腐蝕動作，該動作去除上述鐵氧化物鈍化薄膜并且觸發進一步的快速氧化。此外，氯化鈉可以在存在非定形二氧化硅的情況下導致堿-集料反應，該反應在潮濕環境中形成堿性硅酸鹽腫脹，并且引起毀滅性的裂開。鹽(即氯化鈉)因此能夠破壞加固鐵棒和包含諸如非定形二氧化硅的反應性聚合物的混凝土兩者。類似的劣化由氯化鈣導致，其導致加固鐵棒的腐蝕并且其可以進一步與混凝土的氫氧化鈣反應，從而產生鈣氯氧化物水合物，這由于體積增大而具有結果上毀滅性的效果。
[0012]由于水的滲透的水凍循環僅僅是針對劣化的物理原因，由于冰的形成，結果體積增大(約9% )，這導致反復的壓力，其可以導致裂開和混凝土中的破碎。
[0013]根據以上已經說明的內容，迫切的需求是顯而易見的，即通過反過來應當盡可能不受到在待監測的固體結構內部發現的磨損原因影響設備準確地監測水和濕氣和PH的存在以及加固鐵棒的腐蝕狀態兩者的需求。
[0014]有鑒于此，基于位于覆蓋集成電路的鈍化層的外部的電容器中的電容的變化的原理的包括集成電路的濕度傳感器是已知的。
[0015]然而，如果這類已知傳感器被用來監測建筑結構，則由于被布置在鈍化層的外部的電容器的金屬電極的腐蝕，傳感器性能的相當大和快速的劣化的嚴重缺點可能發生，直到其完全的不堪使用。
[0016]此外，上述已知的濕度傳感器不能夠監測參數(例如，關于pH的)酸度/堿度，并且它們不能夠執行關于被包括在待監測的結構中的金屬部分所達到的腐蝕階段的直接和可靠的評定。
[0017]就參數酸度/堿度而言，pH傳感器是已知的，即例如基于其中測量在金屬氧化物電極處創建的電勢差的這類金屬氧化物電極通過不同的已知可能的方法來檢測水中的H+離子的濃度水平:例如，在ISFET(離子敏感場效應晶體管)的情況中，存在閾值電壓的變化。pH的傳感器也是已知的，其基于具有相對于pH為惰性的電極和通過pH敏感層被制成對PH敏感的電極的結構(實際上，這些結構是具有作為電介質的pH敏感層的電容器，其中這類電容器的電容變化被測量為PH的函數)。
[0018]兩種類型的已知傳感器在其被用在待監測的結構內部時都受到與由于傳感器的金屬部分的腐蝕所致的快速性能劣化相關的已經提及的缺點的影響。
[0019]此外，即使在這種情況中，用來測量pH的已知傳感器不能夠測量濕度，也不能夠提供關于被包括在待監測的結構中的金屬部分所達到的腐蝕階段的可靠信息。
[0020]因此，上述現有技術解決方案未能滿足提供能夠檢測至關重要的參數(諸如濕度和/或酸度和/或腐蝕程度，優選地多于一種)并且同時足夠免于所提到的劣化原因、以便適用于廣闊的操作條件中(例如，當被埋在待監測的建筑結構中)的傳感器的需求。
[0021]本發明的目的在于構思并通過集成電子設備以用于監測與設備其自身周圍的環境的濕度和/或水的存在和/或酸度/堿度相關的至少一種參數，因此被改善從而至少部分地消除這里關于現有技術所描述的缺點并且滿足上述需求。具體而言，本發明的目的還在于構思和提供用于檢測與設備其自身周圍的環境的任何上述現象(濕度和/或水的存在和/或酸度/堿度)相關的至少參數的集成電子設備。
[0022]此外，本發明的目的還在于構思和提供用于這類參數的監測系統和檢測這類參數的方法，其通過使用上述設備轉而能夠滿足上述需求。
【發明內容】
[0023]這類目標通過根據權利要求1所述的檢測設備來實現。
[0024]這類設備的其它實施例在從屬權利要求2至19中限定。
[0025]包括根據本發明的檢測設備的監測系統在權利要求20中限定。
[0026]該系統的其它實施例在從屬權利要求21中限定。
[0027]使用根據本發明的設備的檢測方法在權利要求22中限定。這類方法的其它實施例在從屬權利要求23-24中限定。
【附圖說明】
[0028]根據本發明的電子檢測設備、檢測系統和方法的其它特征和優點從以下對參照附圖以指示的方式給出的優選實現方式示例、非限制性示例的闡述的描述而變得顯而易見，在附圖中:
[0029]圖1和2是根據本發明中包括的兩個不同實施例的設備的側面截面圖；
[0030]圖3A和3B示出了從上方看到的并且在鈍化層之下的部分中的被包括在本發明的設備中的傳導性構件的兩種可能配置；
[0031]圖4A和4B示出了在傳導性構件具有圖3A中所示的配置的情形中從上方看到的被包括在本發明的設備中的電極裝置的兩種可能配置；
[0032]圖5A和5B示出了根據兩個相應的其它實現方式示例的從上方看到的被包括在本發明的設備中的電極裝置兩種其它可能配置；
[0033]圖6示出了與根據圖1和2中所圖示的實施例的檢測設備等同的電磁電路的示意圖；
[0034]圖7圖示了沿著在存在吸入有水/濕氣滴的混凝土的情況下的沿著圖4A的設備的側向截面A-A的局部部分的視圖；
[0035]圖8是根據本發明的設備的其它實施例的側向截面圖；
[0036]圖9圖示了從上方看到的被包括在圖8的設備中的電極裝置的配置；
[0037]圖10示出了與圖8的檢測設備等同的電磁電路的示意圖；
[0038]圖11是本發明的設備的其它實施例的側向截面圖；
[0039]圖12示出了與圖11的檢測設備等同的電磁電路的示意圖；
[0040]圖13是根據本發明的設備的其它實施例的側向截面圖；
[0041]圖14是包括多個根據本發明的監測設備的檢測系統的圖；
[0042]圖15圖示了圖14的系統的應用示例。
【具體實施方式】
[0043]參照圖1-13，現在描述用于檢測與設備周圍的環境的濕度和/或水的存在和/或酸度/堿度相關的至少一種參數的集成電子設備I。具體而言，本發明的電子設備I適用于檢測設備周圍的環境的任何以下現象相關的至少一種參數:濕度和/或水的存在和/或酸度/堿度。這類設備I包括具有絕緣材料14的至少一部分的與周圍環境的分隔層14，并且還包括由導電性材料(例如，金屬)制成的第一傳導性構件11和第二傳導性構件12，第一傳導性構件11和第二傳導性構件12相對于周圍環境被布置在分隔層14內部并且通過分隔層14與周圍環境分離。
[0044]設備I還包括測量模塊15，測量模塊15具有分別與第一導電性構件11和第二導電性構件12電連接