Емкостный преобразователь влажности газов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ЗЮГА С 01 м 27/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3383066/18-25 (22) 21. 09. 82 (46) 15.02.84. Бюл. 1Ф 6 (72) В. В. Ветров, В.П. Катушкин и В.Н.Пак (711 Ленинградский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового

Красного Знамени технологический институт им. Ленсовета (53) 533. 275 (088. 8) (56) 1.Патент США 9 3703697, кл. Н 01 С 13/00, опублик. 1977.

2.Патент CDlA 9 3800000, кл. G 01 М 25/56, опублик. 1979 .(прототип).

„.Я0„„1073673 А (54)(57) ЕМКОСТНИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ, содержащий подложку с плоскими электродами и сорбционную влагочувствительную пленку того же химического состава, что и подложка, о т л и ч а ю ц и и с я тем, что с целью повышения точности иэмерения, поверхность сорбцион.ной пленки, расположенная между электродами, обраэует с поверхностью электродов плоскую поверхность.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к конструкции емкостного преобразователя, и предназначено для отраслей производства, в которых необходимо

/ вести контроль влажности газ овых

5 сред.

Известен емкостный преобразователь влажности газовых сред, содержащий плоские электроды на подложке и влагочувствительную пленку, О

В этом преобразователе применяетсч подложка иэ кварца, на которую нанесены гребенкообразные элекроды из золота, а поверх электродов и подложки методом вакуумного напыления нанесена сорбционная пленка из окислов металлов 313

Такой преобразователь имеет недостаточную стабильность характеристик во времени, что сказывается на точности измерения, ежемесячно приходится корректировать градуировку.

Это связано с тем, что напыленная сорбционная пленка из окислов металлов на поверхности кварца имеет неупорядоченную структуру и под действием влаги, температуры и электрического поля изменяет ее, изменяя тем самым и сорбирующие свойства ° Разнородность химического состава подложки и сорбционной пленки также способствует изменению первоначальной структуры, что влияет на точность измерения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является емкостный преобразователь влажности газов, содержащий подложку с плоскими электродами и сорбционную влагочувствительную пленку того же химического состава, что и подложка. На 40 поверхность подложки из кварца с элекродами вакуумным напылением на=. несена пленка из окиси кремния 5iOy.

Пленка из 5i02 более устойчива к воздействию внешних факторов, чем 45 пленка из окислов металлов, а нанесение ее на кварцевую подложку устра= няет недо.:.таток устройства (1."),, связанный с разнородностью химического состава пленки и подложки (23 . Я)

Однако и в этом случае не устра,няются недостатки, связанные с неоднородностью структуры напыленйой пленки и ее переменной от образца к образцу ) толщиной. Кроме того, сорбционная пленка располагается как между электродами, так и поверх= них, сохраняя рельеф поверхности, полученный после нанесения элекродов, например, методом фотолитогра- 66 фии. В результате на поверхности образуются впадины, по высоте соот ветствующие толщине электродов, являющиеся местами скопления различного рода загрязнений, изменяющих сорбционные свойства поверхности, т. е. снижающие точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в емкостном преобразователе влажности газов, содержащем подложку с плос= кими электродами и сорбционную влагочувствительную пленку Tîãо же химического состава, что и подложка, поверхность сорбционной гленки„ ре — .:— положенная между электрода>.и, обра— зует с поверхностью электродов плоскую поверхнооть,.

При =òîì структурные дефекты по-. верхности не превышают размера час: тиц загрязняющих включений анализ руемой среды.

При такой конструкции преобразова= тель сорбционная пленка. располага= ясь только в пространстве между электродами, занимает наиболее информационную часть преобразователя, т.е. ту его часть, где сконцентрировано электрическое поле, и при одной и той же массе пленки приращение сигнала больше, а инерционность меньше, чем в преобразсвателе-прото= типе. Пленка заполняет впадины между электродами и выравнивает рельеф поверхности преобразователя так, что геометрически неоднородная поверхность практически превра>:,ается в плоскость, причем гладкостью шерсховатостью )поверх.ности,, об;:;,. .>вле-.ной структурой поверхност;.ы.: :доев:, можно управлять нв. молекулярном уровне, применяя, например„. процессы эпитаксиального выращивания слоев.

На поверхности преобразова.-еля. мож=но получить струк>;уоу с такими дефектами, которые еудут слишком::. .злы для частиц загрязняющих вклю:=е Iий

>содержащихся в анализируемо ° средс пыли, крупных агрегатсв из органических молекул ), частицы э-си не =."-;огут проникнуть во внутренние структурные полости и ле†.ко могут ыть удалены с поверхности,. При исполь"- зовании известного устройства такие меры, как промывка различного рода растворителями или методом выжигания органических примесей периодическим нагревом подложки преобразо. вателя до высокой темпер-туры„ не могут обеспечить эффективной счис: = ки преобразовчтеля из-=а черезвычай-но медленных скоростей диффузии в капиллярах и спекании,в ряде слу:чаев ) органически:< час=и,. =-акупсривающих поры. B предложенном "cr ройстве уменьшается необратимый дрейф характеристики преобразова теля, связанный с диффузией загряз:- нений во внутренних слоях, т,е. увеличивается точность измерения, Кроме того, в такой конструкции уменьшается нелинейность характе1073673

Составитель Ю.Коршунов

Техред Ж. Кастелевич Корректор И.Эрдейи — Ф вЂ” -М

Редактор Л.Алексеенко

Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 321/43

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 ристики преобразователя, что также сказывается на увеличении точности измерения °

Для .заполнения сорбционной пленкой только части поверхности подложки, свободной от металла электродов, можно применить, например, известный способ химической сборки структурных единиц на соответствующих матрицах. Проведя по определенной программе ряд актов химической сорбции, например сорбции молекул

5)0>, химически конденсирующихся на подготовленной поверхности кварцевой подложки, удается монослой за монослоем осуществить химическую сборку структуры на поверхности (метод молекулярных наслоений ). Количество наслоений рассчитывается из условия, что в среднем толщина монослоя $то составляет 1,87 A.

Химическая сборка дает возможность получить не аморфную, а регулярно построенную структуру синтезированного слоя, которая направленной термообработкой может уплотняться или разуплотняться, что позволяет получать необходимую рыхлость структуры с заданными сорбционными свойствами. Синтезированный таким образом в промежутке между электродами сорбционный слой позволяет получить преобразователи с максимально возможной взаимозаменяемостью для данной конструкции.

На чертеже схематически изображен предлагаемый емкостный преобразователь влажности газов.

На подложке 1 расположены электроды 2 H сорбци он ный cJIGA 3 из 51 0 который заполянет только пространст во между электродами и выращен методом химической сборки так, что образует с поверхностью электродов плоскую поверхность. При современной технике получение рисунка электродов методом фотолитографии толщина напыляемых металлических пленок обычно составляет 300-2000 A и контролируется с точностью до

10 А, зазор между электродами имеет порядок десятков и сотен микрон.

Для заполнения образованных после фотолитографии углублений на поверхности подложки, равных толщине металлической пленки, требуется (160-1100) + 6 актов химической сорбции

5 0 . Термический режим при этом подбирается экспериментально так, 5,чтобы обеспечить необходимую рыхлость структуры. Учитывая, что содержащиеся в газовой среде частицы загрязняющих веществ имеют размеры

0,1 мкм и более, структурные дефек1Q ты на поверхности должны быть не более этой величины. Эти ограничения выполняются достаточно легко при химической сборке структуры.

Датчик помещают во влажную среду.

При изменении ее влажности измеряются емкость и проводимость преобразователя за счет сорбции влаги в пленке & 0, сорбции ее на поверхности подложки в электродах. При этом внутренние глубинные поры поверхности легко доступны парам воды и закрыты для коллоидных и более крупных частиц загрязнений, на поверхности нет дефектов, на которых они могли бы задерживаться длительное время, они могут осаждаться толькино на уровне верхнего монослоя поверхности. В последнем случае загрязнения легко удаляются промывкой растворителями или периодическим выжиганием. О влажности газовой среды судят по изменению емкости или проводимости преобразователя. Чем тоньше сорбционный слой, тем меньше инерционность преобразователя.

Таким образом, в предлагаемой конструкции преобразователя поверхность меньше подвержена загрязнени,ям и дестабилизирующим факторам

40 (влиянию температуры и влажности на стабильность характеристик ), при одной и той же массе пленки она используется более эффективно. Результаты проведенных испытаний показывают, что предлагаемый преобразователь позволяет достигнуть более высокой точности измерения на одной и той же измерительной аппаратуре, чем известный (погрешность единичных измерений не превышает +1,5% .против погрешности +2,5% у известной конструкции