Емкостный датчик

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНКЕ изовеитиния

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

898312 (6l ) Дополнительное к авт. свкд-ву (51) IVL. Кл.

Q 01N 27 23 (22) Заявлено 08.04.80 (2! ) 2906750/18-25 с присоединением заявки № фкударстеапай комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.01.82. Бюллетень № 2

Дата опубликования описания 18.0 1.82 (53) УДК55 1.508.. 7 (08 8.8) в Л. Д. Зорина, (," . Ло 1

A. Г. Роках, Л. Г. Серебрянская, Е. А. Нов и В. И. Давыдов (72) Авторы изобретения

ПА 1сП1 т 0- ; -"4 1

fgggge,- p .: yß физики амеМЫВаотс V.a кого

Научно-исследовательский институт механики при Саратовском ордена Трудового Красного государственном университете им. H. Г. Чернь (71) Заявитель (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

Изобрет ение относится к измерительной технике и может быть использовано в в системах контроля и в устройствах автоматического управления.

Известен емкостный датчик влажности, гигрочувствительный слой которого выполняется в вице гетероструктуры, состоящей из цвух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных высокоомных полупровоцников. Верхний слой гетероструктуры представляет собой послойную структуру с плотной и пористой областями, толщины которых взяты в соотношении 2:1. Толщина нижнего слоя гетероструктуры и плотной области верхнего слоя равна соответствующей толщине области обьемного заряда в каждом полупроводнике. Верхний электрод имеет ячеистую структуру, что позволило снизить инерционность цатчика цо 9 с, так как влага мигрирует главным образом через более тонкий участки верхнего электроца, а металлическая сетка электрода, обладающая большей толщиной, снижает омическое сопротивление верхнего электрода и повышает надежность его работы (1)

Данный цатчик обладает цостаточно высокой чувствительностью, но у него отсутствует чувсвительность к площаци возцействия потока влажного газа. Емкость датчика зависит от обьемного соцержания влаги в межэлектроцном промежутке.

Э

Ближайшим техническим решением к изобретению является тонкопленочный ацсорбционный датчик влажности, содержащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены электроды, один из которых несплошной. Токоввоцы датчика подсоецинены к цвум нижним алюминиевым электроцам, так что чувствительный элемент матчи ка представляет собой цва идентичных, последовательно соединенных конденсато ра, имеющих общим электроцом пористый слой алюминия. Емкость такого конценсатора определяется влагосоцержанием ю ти толщина гигрочувствительного слоя не должна превышать величину радиуса зкранирования в используемом полупровоцниковом материале. На противоположную сторону циэлектрической пластины нанесен сплошной нижний электрод 3. Несплошной верхний электрод 4 нанесен поверх гигрочувствительного слоя 2. Токовводы

5 и 6 подсоединены к верхнему и нижнему электродам.

Несплошной электрод выполнен в вице гребенчатого электрода, в промежутках которого нанесены провоцящие островки.

При воздействии потока влажного газа непосредственно на поверхность гигрочувствительного слоя сопротивление гигрочувствительного слоя уменьшается, и отдельные проводящие островки электрически соециняются между собой и с осНовным электродом, представляющим собой металлический контур, выполненный, например, в форме "гребенки ° Нанесение провоцяших островков имеет целью снизить требуемый уровень влажности для создания с плошного .низко омн ого электрода с площадью, превышающей плошадь гребенчатого электроца на величину плошади проводящих островков и открытой поверхности гигрочувствительного слоя.

Работа цатчика может быть пояснена с помощью эквивалентной схемы, приведенной на фиг. 3. Здесь С вЂ” начальная емк ость цат чик а в лажи ос ти, опре де ляем ая толщиной и циэлектрической проницаемостью циэлектрической пластины 1 и площадью гребенчатого электрода 4; Q сопротивление между встречными штырями гребенчатого электрода, склацываюшееся из сопротивлений гигрочувствительных прослоек между проводящими островками и малыми значениями сопротивлений этих провоцящих островков; С (S ) — емкость, зависящая от плошади воздействия потока влажного газа и появляющаяся при уменьшении сопротивления гигрочувствительного слоя поц влиянием влаги.

Величина емости С (6) опрецеляется свойствами диэлектрической пластины 1 и площадью, занимаемой гигрочувствительным слоем, поцвергаюшимся возцействию потока влажного газа, с нанесенными на него провоцяшими островками.

В рассматриваемой конструкции первоначальная емкость С и емкость С(8), зависящая от плошади возцействия В по формуле плоского конценсатора

Ц5)=

3 89831 диэлектрического слоя А О . Датчик является высокочувствительным (23

Инерционн ос ть да тчик а, опре целяе м ая как время установления значения емкости при внесении датчика в сосуц с воздухом S зацанной влажности, составляет несколько секунд. Оцнако послецовательное соединение цвух конденсаторов в датчике позволяет реализовать высокую чувствительность только при поглощении влаги всем обьемом влагочувствительного циэлектрика. При возцействии потоком влаги на слой АВ О, расположенный, например, нац одним из нижних алюминиевых элек— троцов, емкость соответствующего тонкопленочного конценсатора увеличивается, но емкость цатчика в целом опрецеляется наименьшей величиной соециненных емкостей, и, следовательно, приращение емкости всего датчика минимально. Таким ур образом, конструкция известного цатчика не позволяет реализовать чувствительность датчика к площаци возцействия потока влажного газа.

Целью изобретения является повышение 5 чувствительности датчика влажности к площади воздействия при одновременном увеличении быстродействия и росте добротности с увеличением интенсивности воздействия.

Цель цостигается тем, что в мкостном датчике влажности, содержащем гигрочувствительный циэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены алектроцы, один из которых несплошной, диэлектрик выполнен цвуслойным, состоящим из негигрочувствительной циэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или циэлектрического слоя толщиной поряцка радиуса экранирования, а несплошной электрод, расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в виде металлического контура (например, в форме гребенки), со встроенной в него системой металлических ост

45 ровков, отделенных Oт частей контура гигрочувствительным слоем.

На фиг. 1 приведен емкостный датчик влажности, общий вид; на фиг. 2 — разрез

А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — эквивалент ная схема устройства.

Датчик влажности состоит из циэлектрической пластины 1, выполненный из материала, не меняющего своих свойств во влажной среде. На циэлектрическую пластину нанесен тонкий слой 2 гигрочувствительного полупроводника или циэлектрика. Для обеспечения необхоцимого быстроцействия и высокой чувствительнос.

5 89 где 6 — диэлектрическая проницаемость;

8 — толщина диэлектрической подложки, соединены параллельно. Поэтому общая емкость, равная сумме емкостей

С,б,= С„+ С 5), меняется пропорционально плошади воздействия потока влажного газа.

Сущность работы прецлагаемого датчика влажности заключается в изменении поверхностного сопротивления гигрочувствительного слоя полупроводника или диэлектрика поц цействием влаги. Поэтому для уменьшения инерционности гигрочувствительный слой нацо делать как можно тоньше. Но для обеспечения достаточно высокой чувствительности толщина слоя должна быть не меньше величины радиуса экранирования в используемом полупроводниковом материале.

Другая особенность предлагаемого датчика связана с тем, что поглощение влаги происходит не в межэлектродном пространстве, а на поверхности конценсатора. С увеличением влагосоцержания в гигрочувствительном слое не происходит замыкания верхнего и нижнего электродов по влаге, поэтому диэлектрические потери с увеличением влажности в слое циэлектрика не увеличиваются. Напротив, вслецствие уменьшения поверхностного сопротивления одного из электродов датчика, как показал расчет, происходит рост добротности датчика с увеличением цоли поглошения влаги.

Удельное сопротивление гигрочувствительного полупровоцникового слоя зависит от процентного соцержания поглощенной влаги. Полное сопротивление полупровоцниковой пленки между отдельными частями несплошного электрода опрецеляется наряду с удельным сопротивлением пленки расстоянием между электродами, конфигурацией электродов. Путем нанесения островков из низкоомного материала на полупроводниковую пленку в пространстве между электродами снижается уровень требуемой влажности цля создания определенной величины полного сопротивления пленки. Это явление можно легко обьяснить, если, например, раз8312 4

35 делить поверхность полупровоцниковой пленки на М частей и представить полное сопротивление пленки R в виде суммы сопротивлений г отдельных частей: н

1= г.

Е 1

Включение участков с малым сопротивль-нием г приводит к снижению всего сопротивления пленки Я в целом. Таким образом, соответствующей конфигурацией верхнего элек тро да можно установить надлежащий порог чувствительности ем костного цатчика влажности.

Разработанный a,àò÷èê может быть mcпользован также для регистрации светового потока, потока ускоренных электронов * — — "- излучений или других поверхи ос тных в озце йстви й, ес ли в мес то . гигроскопического слоя на диэлектрическую подложку нанести полупроводниковый слой, сопротивление которого уменьшается поц действием соответствующего вица излучения.

Формула изобретения

Емкостный датчик влажности, содержащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены электроды, один из которых несплошной, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с,.целью повышения чувствительности при оцновременном увеличении быстродей1 ствия и росте добротности, циэлектрик выполнен двуслойным, состоящим из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или диэлектрического слоя толщиной порядка радиуса экранирования, а несплошной электрод, расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в вице металлического контура со встроенной в него системой металлических островков, отцеленных от частей контура гигрочувствительным слоем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 536425, кл. Ь 01М 27/22, 1975.

2. Котельников В. А., Петров Ю. И.

Тонкопленочный ацсорбционний цатчик влажности. — "Приборы и техника эксперимента", 1 973, М 6, 1 82-1 84 (прототип) .

898312 с ь| °;.

4D 2. 1

c($)

ВНИИПИ Заказ 1 1939/60 Тираж 882 Подписное

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4