Датчик влажности и температуры

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

G.01 N 25/56,Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет (ЩУДК 533.275 (088 8) Опубликовано 15.01.83. Бюллетень Но 2

Дата опубликования описания 15.01. 83

1 (72) Авторы изобретения

С.Т. Воронин и Г.В. Ларичева

) - ".* (1

Специальное опытное проектно-конструкторско технологическое бюро Сибирского отделения Всесоюзной ордена Л нина академии сельскохозяйственных наук им. В.И. Ленина (71) Заявитель (54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к техническим измерениям, а конкретно к датчикам для .измерения одновременно температуры и влажнооти. газов.

Известны устройства, предназначенные для измерения влажности на основе угольных, пьеэокварцевых, алюминиевооксидных и других абсорбционных электрических датчиков влажности °

Но угольные датчики имеют гистерезис при измерениях, пьеэокварцевые - чувствительны к изменению плотности и вязкости газов, к пыли и механическим загрязнениям, дороже, алюминиевооксидные — недостаточно стабильны.

Известен датчик относительной влажности, в котором на керамической подложке расположены металлические электроды, соединенные пористой пленкой Р ОЗ fl) .

Однако этот датчик обладает физическими свойствами, приводящими к быстрому старению пленки.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик влажности и температу) ы, содержащий тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами, один из которых выполнен в виде сопротивления в форме меандра (2).

Недостатками известного устройства являются малые пределы измерений, потеря свойств датчика со временем, низкая чувствительность.

Цель изобретения — расширение пределов измерений влажности при однов1О ременном измерении влажности и температуры, а также .сохранение чувствительности при малых габаритах.

Поставленная цель достигается тем, .что в датчике влажности и температуры, содержащем тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами, один из которых представляет

20 собой сопротивление и имеет форму меандра, в сопротивлении расстояния между полосками не превышают размеров агломератов воды на поверхности диэлектрика и имеют различные величины, а толщина диэлектрика тонкопленочного конденсатора превышает размеры пор в диэлектрике, в качестве которого может быть использован пористый кремний.

При измерений одновременно влажности и температуры необходимо ис989422 пользовать мостовую схему измерений, где в одно плечо включен эталонный герметизированный датчик, а в другое измерительный, причем оба изготавливают одновременно, поэтому они идентичны. 5

Конструкция датчика влажности и температуры дает возможность использовать возможности интегральной технологии при изготовлении датчиков, такие как воспроизводимость, малые 10 габариты, низкая себестоимость и высокое разрешение, достигнутое по ширине полосок металлической пленки и расстоянию между ними - до 10 нм (или 0,01 мк), что ранее было невоз- 15 можно.

На чертеже изображен датчик влажности и температуры.

Датчик влажности и температуры .содержит тонкопленочный конденсатор, 20 выполненный s виде подложки 1 из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами 2 и 3.

Электрод 3 выполнен в виде сопротивления в форме меандра. Расстояние а между полосками не превышает размеров агломератов воды на поверхности подложки — диэлектрика, а шаг меандра сопротивления переменный, т.е. расстояние а между полосками перемен-. ная величина. Толщина диэлектрической подложки превышает размеры пор в диэлектрике.

Расстояние а изменяется от 0,01

До 10 мкм, ширина полоски меандра лежит в пределах 0,1-0,5 мм, высота 35О полосы меандра 9 = 20 мкм. Меандр снабжен контактными площадками 4.

Формула изобретения

Примером изготовления датчиков может служить предлагаемая техноло- 40 гия, по которой пластины P-кремния с ориентацией (III) толщиной 0,3 мм подготавливаются к напылению стандартным способом и на них методом вакуумного напыления с одной стороны наносится контактный металл, алюминий толщиной 0,8-2 мкм, который затем вжигается при 520 C s течение 1015 мин в потоке водорода, прошедшего па адиевую Очистку с точкой ... 50 росы -70ОС для создания хорошего омй-. ческого контакта. Затем наносится слой олово-индий толщиной несколько десятков микрон методом электрохимического осаждения,в электролите соответствующего состава для последующей пайки к корпусу или теплоносителю для измерения температуры, которая измеряется по показанию герметизированной половинИ датчика. Затем производится формирование диэлектрического слоя пористого кремния способом электрохимической анодной обработки монокристаллического кремния в растворе 10-153-ной плавиковой кислоты при 23 C, катодом в котором служит платиновый электрод, а плотность тока

5-300 mA/ñì

Толщина образующегося диэлектрика больвз размеров пор, имеющих диаметр на поверхности 1-10 нм, в объеме— до 1 мкм.

В зависимости от требуемого быстродействия и чувствительности толщи» на выбирается в пределах 5-100 мкм.

Следующей операцией служит напыление слоя платины в вакууме поверх полу ченного слоя пористого кремния. Толщина платины 10,0-100,0 нм. После этого напыляются контактные площадки из никеля толщиной 0,4-0,5 мКм, методом фотолитографии создается соответствующая чертежу топология сопротивления с переменным шагом а от 0,01 до 10 мкм и шириной полосок

b которые одновременно являются верхними обкладками конденсатора.

Измерение относительной влажности газов основано на явлении абсорбции влагочувствительной пленкой пористогo кремния молекул воды, а так же образованием на поверхности диэлектрика между полосками меандра .агломератов (образований) воды, в результате чего. изменяется геометрический путь тока из-за закорачивания отдельных меандров при соизмеримости их размеров с размерами между полосками. Все это приводит к измерению величины полного сопротивления измерительных элементов в отличие оТ эталонных герметизированных частей, чем достигается независимость показаний датчика от температуры окружающей среды. алагочувствительность датчика достаточно широка от долей процента до 100% влажности, так как по мере увеличения влажности начинают работать болие широкие части меандра и более крупные поры в диэлектрике конденсатора, что позволяет работать без насыщения датчика.

Преимуществами предложенного тонкопленочного датчика влажности и температуры по сравнению с известной конструкцией являются его механическая прочность, возможность получения взаимозаменяемых датчиков, его высокая стабильность, малые габариты и инерционность.

1. Датчик влажности и температуры, содержащий тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки щ пористого диэлектрика с нанесенным, на нее металлическими электродами, один из которых представляет собой сопротивление и имеет форму меандра, отличающийся тем, что, с

989422

Составитель В. Бкаев

Редактор T. Веселова Техред И; Надь . Корректор А;. Ференц, Заказ 11115/62 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 целью расширения диапазона измерений влажности при одновременном измерении влажности и температура, в сопротивлении расстояния между полосками не превьзаают размеров аглойератов воды на поверхности диэлектрика и имеют различные величины, а толщина диэлектрика тонкопленочного конденсатора превышает размеры пор в диэлектрике.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, чт0, с целью увеличения чувствительности, в качестве диэлектрика использован пористый крев ний.. Источники информации, 5,принятые во внимание при экспертизе

1. Патент OtlA Ю 3916367 кл. Н Ol С 13/ОО, опублик. 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

>O 1Ф 51873, кл. G 01 N 25/56, 1965 ,(прототип).