用于监测湿度和/或环境酸度/碱度和/或腐蚀的集成电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于检测与设备周围的环境存在的、湿度、酸度/碱度相关的一种或多种参数的集成电子器件。本发明还包括用于检测这类参数的监测系统和方法，使用上述设备的这类系统和方法。
【背景技术】
[0002]在检测给定监测点周围的环境的领域中，非常重要的是考虑到诸如湿度和酸度/碱度之类的参数。
[0003]如果在待监测的环境中存在由金属制成的结构或结构的部分，则也很重要的是执行对这类金属部分的腐蚀状态的评定。
[0004]固体结构(诸如桥梁或者还有建筑、隧道、铁路、水坝、水堤、城市地下铁路的地下结构)的负载承受结构可以被认为是对于说明目的显著的应用示例，然而并非是限制性的。具体而言，可以考虑建筑材料的结构(例如用金属杆加固的混凝土组成的钢筋混凝土 ) O
[0005]在此上下文中，用于监测与力或温度相关的不同参数的设备和系统是已知的。例如，申请人的国际专利申请WO 2012/084295公开了用于在固体结构内部监测机械应力和/或压力和/或温度的设备，该设备包括其中包括至少一个集成传感器和相关电路装置的集成检测模块，以及用于向外部和从外部进行通信的电磁装置。在WO 2012/084295中，集成检测模块包括完全涂覆集成传感器和相关电路装置的钝化层以确保稳健性和长的操作寿命；然而，这一特征使得这类设备不能检测湿度和/或酸度/碱度。检测诸如湿度和/或酸度/碱度之类的参数的重要性就有意义和可靠的监测而言是至关重要的。
[0006]待监测的结构的设计师和维护技师需要评定由于存在的水和/或湿度劣化的进展。事实上，可以导致这类劣化的现象多种多样。
[0007]就混凝土而言，这是通过水泥(为水硬性胶黏剂，其激活由于与水的化学反应而发生)结合的由具有不同尺寸的石头聚合组成的人工石头材料(称为惰性物(inert))。惰性物具有范围从几十微米到几十微米的尺寸。水泥颗粒具有范围从I到50 μm的大小，并且它们填充存在于在整个多孔和渗透性物上的惰性物之间的空间，该空间确定了凝固的稀浆。混凝土可以具有不同程度的多孔性和渗透性，取决于其组成和惰性物和水泥颗粒的大小，然而可以用某种方式发现特定程度的多孔性和渗透性。
[0008]由于这一事实，湿度和/或其它大气试剂和/或水(其在溶液中可以转而包含不同的化学化合物)穿透到混凝土中并且可以导致若干化学/物理现象，从而劣化混凝土和存在于加固的混凝土中的杆(即加固钢或铁棒)的金属两者。在劣化的主要原因之中，可以提到以下原因。
[0009]碳化是由于湿气、氧气O2和二氧化碳CO2到水泥中的穿透。这类现象不涉及到混凝土的稳健性降低，但是它对于加固铁棒是非常危险的。通常，在混凝土中，由于由水泥的水合作用形成的石灰，PH是强碱性的(12-14)并且铁棒因此被钝化并且通过附于铁棒而不是穿透性的铁氧化物的钝化薄膜的形成而由这类碱性环境所保护，这防止了进一步的氧化。然而，在混凝土结构的最外层(也被称为“混凝土外壳”)被CO2穿透时，石灰被破坏并且形成降低PH的碳酸钙，确定了越来越酸的环境，并且在pH具有约8或7的值时开始铁的腐蚀。此外，通过铁棒的氧化形成的锈导致体积增加，确定了在混凝土上的牵引力，这可以裂开并且甚至导致混凝土外壳层由于张力负载而释放；露出表面的铁棒因此暴露于快速腐蚀，这可能导致结构的快速劣化并破坏其稳定性。
[0010]硫酸盐腐蚀在渗透的水包括硫酸盐时发生，硫酸盐与水泥的氢氧化钙、铝酸盐和硅酸盐反应，因此形成石膏、钙矾石和碳硫硅钙石，因此导致混凝土中的膨胀、裂开和释放或者聚合团的破裂。
[0011]氯化物腐蚀是由于例如在海水中发现的氯离子。氯化物导致在加固铁棒上的腐蚀动作，该动作去除上述铁氧化物钝化薄膜并且触发进一步的快速氧化。此外，氯化钠可以在存在非定形二氧化硅的情况下导致碱-集料反应，该反应在潮湿环境中形成碱性硅酸盐肿胀，并且引起毁灭性的裂开。盐(即氯化钠)因此能够破坏加固铁棒和包含诸如非定形二氧化硅的反应性聚合物的混凝土两者。类似的劣化由氯化钙导致，其导致加固铁棒的腐蚀并且其可以进一步与混凝土的氢氧化钙反应，从而产生钙氯氧化物水合物，这由于体积增大而具有结果上毁灭性的效果。
[0012]由于水的渗透的水冻循环仅仅是针对劣化的物理原因，由于冰的形成，结果体积增大(约9% )，这导致反复的压力，其可以导致裂开和混凝土中的破碎。
[0013]根据以上已经说明的内容，迫切的需求是显而易见的，即通过反过来应当尽可能不受到在待监测的固体结构内部发现的磨损原因影响设备准确地监测水和湿气和PH的存在以及加固铁棒的腐蚀状态两者的需求。
[0014]有鉴于此，基于位于覆盖集成电路的钝化层的外部的电容器中的电容的变化的原理的包括集成电路的湿度传感器是已知的。
[0015]然而，如果这类已知传感器被用来监测建筑结构，则由于被布置在钝化层的外部的电容器的金属电极的腐蚀，传感器性能的相当大和快速的劣化的严重缺点可能发生，直到其完全的不堪使用。
[0016]此外，上述已知的湿度传感器不能够监测参数(例如，关于pH的)酸度/碱度，并且它们不能够执行关于被包括在待监测的结构中的金属部分所达到的腐蚀阶段的直接和可靠的评定。
[0017]就参数酸度/碱度而言，pH传感器是已知的，即例如基于其中测量在金属氧化物电极处创建的电势差的这类金属氧化物电极通过不同的已知可能的方法来检测水中的H+离子的浓度水平:例如，在ISFET(离子敏感场效应晶体管)的情况中，存在阈值电压的变化。pH的传感器也是已知的，其基于具有相对于pH为惰性的电极和通过pH敏感层被制成对PH敏感的电极的结构(实际上，这些结构是具有作为电介质的pH敏感层的电容器，其中这类电容器的电容变化被测量为PH的函数)。
[0018]两种类型的已知传感器在其被用在待监测的结构内部时都受到与由于传感器的金属部分的腐蚀所致的快速性能劣化相关的已经提及的缺点的影响。
[0019]此外，即使在这种情况中，用来测量pH的已知传感器不能够测量湿度，也不能够提供关于被包括在待监测的结构中的金属部分所达到的腐蚀阶段的可靠信息。
[0020]因此，上述现有技术解决方案未能满足提供能够检测至关重要的参数(诸如湿度和/或酸度和/或腐蚀程度，优选地多于一种)并且同时足够免于所提到的劣化原因、以便适用于广阔的操作条件中(例如，当被埋在待监测的建筑结构中)的传感器的需求。
[0021]本发明的目的在于构思并通过集成电子设备以用于监测与设备其自身周围的环境的湿度和/或水的存在和/或酸度/碱度相关的至少一种参数，因此被改善从而至少部分地消除这里关于现有技术所描述的缺点并且满足上述需求。具体而言，本发明的目的还在于构思和提供用于检测与设备其自身周围的环境的任何上述现象(湿度和/或水的存在和/或酸度/碱度)相关的至少参数的集成电子设备。
[0022]此外，本发明的目的还在于构思和提供用于这类参数的监测系统和检测这类参数的方法，其通过使用上述设备转而能够满足上述需求。
【发明内容】
[0023]这类目标通过根据权利要求1所述的检测设备来实现。
[0024]这类设备的其它实施例在从属权利要求2至19中限定。
[0025]包括根据本发明的检测设备的监测系统在权利要求20中限定。
[0026]该系统的其它实施例在从属权利要求21中限定。
[0027]使用根据本发明的设备的检测方法在权利要求22中限定。这类方法的其它实施例在从属权利要求23-24中限定。
【附图说明】
[0028]根据本发明的电子检测设备、检测系统和方法的其它特征和优点从以下对参照附图以指示的方式给出的优选实现方式示例、非限制性示例的阐述的描述而变得显而易见，在附图中:
[0029]图1和2是根据本发明中包括的两个不同实施例的设备的侧面截面图；
[0030]图3A和3B示出了从上方看到的并且在钝化层之下的部分中的被包括在本发明的设备中的传导性构件的两种可能配置；
[0031]图4A和4B示出了在传导性构件具有图3A中所示的配置的情形中从上方看到的被包括在本发明的设备中的电极装置的两种可能配置；
[0032]图5A和5B示出了根据两个相应的其它实现方式示例的从上方看到的被包括在本发明的设备中的电极装置两种其它可能配置；
[0033]图6示出了与根据图1和2中所图示的实施例的检测设备等同的电磁电路的示意图；
[0034]图7图示了沿着在存在吸入有水/湿气滴的混凝土的情况下的沿着图4A的设备的侧向截面A-A的局部部分的视图；
[0035]图8是根据本发明的设备的其它实施例的侧向截面图；
[0036]图9图示了从上方看到的被包括在图8的设备中的电极装置的配置；
[0037]图10示出了与图8的检测设备等同的电磁电路的示意图；
[0038]图11是本发明的设备的其它实施例的侧向截面图；
[0039]图12示出了与图11的检测设备等同的电磁电路的示意图；
[0040]图13是根据本发明的设备的其它实施例的侧向截面图；
[0041]图14是包括多个根据本发明的监测设备的检测系统的图；
[0042]图15图示了图14的系统的应用示例。
【具体实施方式】
[0043]参照图1-13，现在描述用于检测与设备周围的环境的湿度和/或水的存在和/或酸度/碱度相关的至少一种参数的集成电子设备I。具体而言，本发明的电子设备I适用于检测设备周围的环境的任何以下现象相关的至少一种参数:湿度和/或水的存在和/或酸度/碱度。这类设备I包括具有绝缘材料14的至少一部分的与周围环境的分隔层14，并且还包括由导电性材料(例如，金属)制成的第一传导性构件11和第二传导性构件12，第一传导性构件11和第二传导性构件12相对于周围环境被布置在分隔层14内部并且通过分隔层14与周围环境分离。
[0044]设备I还包括测量模块15，测量模块15具有分别与第一导电性构件11和第二导电性构件12电连接