Емкостный датчик влажности

 

ОП ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 586425 (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 04. 07.75 (21) 2152789/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл.е

4 01 М 27/22

Государственный комитет

Соввтa Министров СССР оо делам изобретений и открытий (43) Опубликовано25.11.78. Бюллетень № 43 (53) УДК 533.275 (088. 8) (45) Дата опубликования описания 20.05.77 (72) Автор изобретения

В. A. Сычик (71) Заявитель (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах контроля и автоматического регулирования степени влажности парогазовых сред и процессов сушки.

Известны емкостные датчики влагомеров, представляющие собой воздушные конденсаторы, снабженные вспомогательными устройствами для введения образца, уплотнения его, освобождения конденсатора и т.д. (1). Эти датчики характеризуются сложностью конструкции; значительной зависимостью точности измерения от жесткости конструкции, расположения электродов между собой, геометрических размеров активных элементов датчика; большими габаритами и значительным расходом материала на их изготовление.

Известно также полупроводниковое устройство для измерения влажности, содержащее полупроводниковый материал, полупроводник, с осажденным на него слоем окиси олова, и металлические электроды, находящиеся в контакте с материалом и слоем олова (2).

Влажность окружающей среды этим устройством определяется как функция обратного тока полупроводникового соединения.

Полупроводниковое устройство имеет невысокую чувствительность, низкую воспроизводимость параметров, значительную инерционность.

Ближайшим техническим решением является емкостной датчик влажности (3). Такой датчик содержит нижний электрод, гигрочувствитепьный слой диэлектрика в виде

А1аОЗ, выполненный в виде пористой пленки, верхний электрод, выполненный в виде сплошной пленки, и токовводы. Однако этот датчик влажности имеет невысокую чувствительность вследствие того, что гигрочувстви тельный сп ой пр едс тавпяе т обычную структуру, окись алюминия и приращение емкости зависит только от процентного содержания влаги, а его значительная инерционность обусловлена тем, что дпя получения надежного омического контакта с токовводом, а также уменьшения тангенса угла диэлектрических потерь, толщина верхнего электрода значительная (не менее 2 мкм).

536425

Бель изобретения — повышение чувствительности и снижение инерционности датчика влажности.

Достигается это тем, что гигрочувствительный слой выполнен в виде гетерострук.туры, состоящей из двух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных BblcoKooMHbIx полупроводников, верхний из которых представляет послойную структуру с плотной и пористой областями, толщи- Ю ны которых взяты в соотношении 2:1, при этом толщина нижнего слоя и плотной области верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в каждом полупроводнике, причем верхний электрод имеет ячеистую структуру, а отношение минимальной толщины слоя верхнего электрода к его максимальной толщине составляет 1:4

Ф а отношение площадей тонкой и толстой его частей равно 5: 1. 20

На чертеже изображен датчик влажности.

Он состоит из подложки 1, выполняющей функции нижнего электрода и нижнего токоввода, гигрочувствительного слоя, представляющего собой гетероструктуру, состоящую из двух полупроводниковых слоев, нижнего слоя 2 и верхнего слоя, имеющего плотную область 3 и пористую область 4, верхнего электрода 5 и верхнего токоввода 6.

В схеме влагомера датчик влажности вы- ЗО полняет роль нелинейной емкости, функциональНо зависящей от влагосодержания датчика.

Полная емкость датчика влажности будет состоять из статической емкости плоского конденсатора, представляющего металлические электроды 1, 5 и слой диэлектрика, гигрочувствительный слой 2, 3, 4, и динамической емкости гетероструктуры, создаваемой на границе нижнего слоя и плотной области верхнего слоя, которая пропорциональна кон-40 центрации ионизированных дефектов, т.е. (и мiV V) где Й >8< — концентрация ионизированных 45 дефектов (примесей) соответственно в слое

2 и слое 3:

U — напряжение смещения;

U — контактная разность потенциалов.

Прй заданных значениях электрофизических параметров полупроводниковых слоев гетероструктуры максимальное изменение динамической емкости гетер оструктуры от ее влагосодержания, как показали теоретические расчеты и результаты эксперимента, наблюдается в случае, когда толщина нижнего слоя 2 гетероструктуры и плотной области 3 верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в каждом полупроводнике. При помещении датчика влажности в парогазовую среду происходит миграция паров влаги через верхний электрод вглубь гигрочувствительного слоя.

Статическая емкость датчика влажности будет равна

/(, „ V>iK Ч iZ ) (2} где Я вЂ” эффективная площадь верхнего электрода 5;

Е„X. г — диэлектрическая проницаемость слоев 2, 3, 4 и воды.

Из выражения (2 ) видно, что статическая емкость датчика влажности существенно зависит от составляющей Ч/Е, т.е. от объемного содержания воды, причем возрастает с ее увеличением, посколькуХ =81))Kg, 5 1

Поэтому для увеличения объемного содержания влаги в межэлектродном промежутке датчика верхний слой гетероструктуры выполнен из двух областей: плотной области 3, обеспечивающей высокую динамическую емкость гетероструктуры, и пористой области 4. С увеличением толщины пористой области 4 возрастает объемная доля влаги гигрочувствительного слоя, что приводит к росту статической емкости датчика влажности, однако, это, в свою очередь, приво дит к общему возрастанию диэлектрическсго слоя конденсатора и снижению его полной емкости, а также ухудшению структурной связи между статической и динамической емкостями. Оптимизация выражения (2) показывает, что статическая емкость датчика влажности наиболее эффективно изменяется с ростом его влагосодержания, когда отношение толщины пористой области 4- к толщине плотной области 3 верхнего слоя гетероструктуры составляет 2:1.

Для достижения поставленной цели и с учетом особенностей работы датчика влажности его компоненты реализованы следующим образом. Подложка 1 выполнена из материала, обладающего высокой электропроводностью и стойкостью к агрессивным среgaM, например, из алюминия. Гигрочувствительный слой выполнен гетероструктурой из широкозонных, высокоомных полупроводников ЯИКЕ П -типа проводимости и ЕиТЕ

Р -типа проводимости. Эти материалаы выбраны по следующим причинам: во-первых, как ZnSe, так и Еда обладают высокими диэлектрическими свойствами (для в

ggЯе р = 10 -IO ом см tgб с0,06;

Е =8,6 для ЕлТе р = 10 -10 ом см;

ФЯд=0,1; Е =10); во-вторых, упомянуты материалы, как полупроводники, обладают низкой соответственной концентрацией деи -з фектов Ng — 10 см . Для такой гетероструктуры толщина нижнего слоя 2 Zn56

536425 составила 1,2 мкм и плотной области 3 вещества и 60% мелкодисперс,.",то ме.салливерхнего слоя ZhTe гетероструктуры— ческого порошка.

0,5 мкм. В схеме прибора для измерения влажноВерхний электрод 5 датчика влажности сти парогазовых сред (влагомера) nатчик так же, как и нижний выполнен из материала, 5 влажности включается в одно из плеч высо.также обладающего высокой электропровод- кочувствительного задающего моста переменocTbIo H химической стойкостью K агрессив ного тОка. При воздействии парогазовой сре ным средам, например, из алюминия. Во вре- д» происходит миграция влаги через спой мя работы датчика пары влаги мигрируют в верхнего электрода 5 внутрь гигрочувствиего гигрочувствчтельный слой через слой 19 тельного слоя, в результате sего наступает верхнего электр <а 5 по всей поверхности. изменение (приращение) полной емкости датМиграция влаги сквозь слой нижнего элек- чика влажности вследствие повышения сумтрода 1 отсутствует, поскольку толщина марной диэлектрической проницаемости этого слоя более чем на два порядка превы- Е+ЬХ и роста динамической емкости гешает толщину слоя верхнего электрода 5. l5 тероперехода за счет приращения ьЯ/дЦ, т.е.

Инерционность датчика влажности определяется,. главным обраеом, скоростью мигрании б бее+ q

tK+ йи18 а (3) влаги нерее слой его верхнего електроаа б.

AU

Поэтому дпя снижения инерционности датчика ри изменении емкости датчика влажности верхний электрод 5 выполнен в виде ячеис- 0 PcHc

Технико-экономические преимущества датчувствительности и неустойчивой работе. Из- "HKa влажности в сРавнении с пРототипом готовление верхнего электрода 5 ячеистой сл едующи е. структурой позволяет существенно снизить Чувствительность предлагаемого датчика инерционность датчика вследствие того влага будет грировать, главным образом, -ZhSe-Z Òe -Pg по сРавнению с датчиком через более тонкие участки верхнего элек- (прототипом)а представпяюшим структуру трода 5, а металлическая сетка электрода, А1-А1дО -Д, повышается более, чем в чеобладающая более высокой толщиной, снижа- ыре Раза. Это вызвано тем, что емкость ет омическое сопротивление верхнего элек- 30 предложенного датчика изменяется с изметрода 5 и существенно повышает надежность не"ием его влагосодеРжаниЯ вспедствие одего работы. роме того, с уменьшением тол- новр™ВНого изменения статической и дищины верхнего слоя растет суммарная масса намической емкости. У пРедложенног0 датвлаги, мигрирующая вглубь гигрочувстви- чика влажности средняя чувствительность, т ел о г о c I I o ÿ, ч т о ведет к повышению ч у я 4 О к а к показали экспеРименты, Равна 6 8 и ф / % Х ствительности датчика. В результате экспе- в диапазоне 10-100% насыщениЯ влагой, римента было найдено, что наиболее опти- в то время у прототипа чувствительность мальным условием получения низкой инер- не превышает 16 пф/% Х, благодаря выполционности датчика и высоких электрических нению верхнего электрода ячеистой структуй e p HeI.o eлектpona 5 являе,ся из- 45 Рой и выб Ра оп имальных Размер в еек.

Ин нерционность датчика снижается более, чем минимальная толщина составляет 0,5 мкм, в три раза. максимальная 2 мкм, т.е. отношение мини- и чик влажности, выполненный на осномальной и максимальной толщины верхнего ве гетероструктУРы, обладает инеРционноэлектрода 5 составляет 1.4, а отношение z He превышающей 9 сек, а инерционплощадей тонкой и толстой его частей рав- ность прототипа 28 сек. но 5:1.

Нижним токовводом датчика влажности ормула изобретения является пассивная область нижнего элек- Емкос мкостный датчик влажности, содержатрода 1. Верхний токоввод выполнен из ни- щий нижний электрод, гигрочувствительный келя толщиной 0,3 мкм. Он соединен с верх- слои слой выполненный с пористой пленкой верхним электродом с помощью термокомпресси- ний электрод и токовводы, о т л и ч а ю— онной сварки или путем склеивания специаль- щ и и с шийся тем, что, с целью повышения ,ным составом, содержащим 40% клеяшего бр чувствит р чувствительности и снижения инерционности, 536425

Составитель А. Волков

Редактор Е, Гончар Техред А. Богдан Корректор Т. Чаброва

Заказ 5769/273 Тираж. 1029 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 гигрочувствительный слой выполнен в виде гетероструктуры, состоящей из двух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных BbIGDKooMHbIx полупроводников, верхний из которых представляет послойную структуру с плотной и пористой областями

9 толщины которых взяты в соотношении 2:1, при этом толщина нижнего слоя и плотной области верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в 10 каждом полупроводнике, причем верхний электрод имеет ячеистую структуру, а отношение минимальной толщины слоя верхнего электрода к его максимапьной толщине составляет

1:4, а отношение площадей тонкой и толстой его частей равно 5:1.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Берлинер М. А., "Измерения влажно сти", М., 1973 r., 71-88.

2. Патент Франции № 2160095, G 01 N 27/00, 1973.

3. Патент США № 3574681, 117-213, 1971 (прототип).