ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к аналитическим приборам и может быть использовано при производстве датчиков влажности емкостного типа.

Известен датчик влажности, включающий диэлектрическую подложку, влагочувствительный элемент и электродные структуры [1] Эти датчики сложны в изготовлении и требуют специальных дорогостоящих материалов, а потому не находят широкого применения.

Наиболее близким к описываемому является датчик влажности [2] содержащий влагочувствительный слой, размещенный между двумя измерительными электродами. Известный датчик имеет простую конструкцию и несложную технологию производства. Однако из-за низкой сорбционной способности чувствительного элемента по отношению к водяным парам он обладает большой погрешностью измерений и низкой чувствительностью, что затрудняет его применение в условиях резкого изменения влажности, например, для измерения точки росы.

Таким образом, технический результат, получаемый при реализации описываемого изобретения, заключается в повышении точности измерений и расширении области использования датчиков влажности.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике влажности, содержащем влагочувствительный слой, размещенный между двумя измерительными электродами, влагочувствительный слой является электретом и выполнен в виде оксида материала, из которого изготовлен первый электрод, а второй электрод выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя.

При этом первый электрод может быть выполнен в виде матрицы и является одновременно нагревателем.

Повышенная сорбционная способность чувствительного слоя по отношению к парам воды достигается благодаря использованию материала с выраженным электретным эффектом. Электретный эффект в общем случае проявляется в электрических полях внутри электрета, а также в окружающем его пространстве. В электрическом поле электрета возможна дипольная поляризация молекул воды, вследствие чего происходит их притяжение, а затем сорбция на поверхность электрета. Процесс сорбции происходит тем интенсивнее, чем выше напряженность электрического поля в окружающем пространстве.

Интенсификация процесса испарения с чувствительного слоя при капельном попадании влаги на его поверхность достигается за счет искусственного подогрева датчика электрическим током, протекающим через первый электрод.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена конструкция датчика, а на фиг.2 зависимость емкости датчика от относительной влажности воздуха.

Первый измерительный электрод 1 с одной стороны покрыт слоем 2 диэлектрика, а с другой стороны влагочувствительным слоем 3, на поверхности которого размещен второй измерительный электрод 4. Первый измерительный электрод 1 и второй измерительный электрод 4 посредством выводов 5 и 6 соответственно подсоединены к измерительной цепи. В случае использования первого измерительного электрода 1 в качестве нагревателя его подключают к нагревательной цепи посредством выводов 5 и 7.

Первый электрод 1 выполнен в виде металлической матрицы, например, из циркония. Влагочувствительный слой 3 является электретом и представляет собой пленку, в данном случае оксида циркония. Второй измерительный электрод 4 выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя 3, например из оксида другого металла, удовлетворяющего этому условию.

Первый измерительный электрод 1 металлическая матрица, влагочувствительный слой 3 и второй измерительный электрод 4 представляют собой конденсатор, образующий датчик влажности.

Описываемый датчик влажности изготавливают следующим образом.

Первый измерительный электрод изготавливают в виде прямоугольной матрицы из циркония. К торцам матрицы, например, посредством сварки присоединяют выводы 5 и 7 и в таком виде матрицу подвергают нагреванию в окислительной среде, в качестве которой используют кислород, до температуры 500 600^oC, после чего производят выдержку при этой температуре в течение 9 10 ч. На поверхности матрицы получают влагочувствительный слой 3 в виде пленки оксида циркония толщиной несколько мкм. Известно, что в этом случае разность потенциалов, возникающая между фазовыми границами "металл-оксид металла", составляет порядка 0,655 В. Напряженность собственного поля, возникающего в оксидной пленке в процессе термического окисления, составляет величину порядка 0,5•10⁴ В/см, что сравнимо с напряженностью внешнего поля, формирующего электретный эффект в диэлектриках. Таким образом, полученный влагочувствительный слой 3 является электретом. На поверхность влагочувствительного слоя наносят второй измерительный электрод 4 в виде пасты, например оксида никеля, легированного литием, с последующим ее вжиганием, после чего к нему приваривают вывод 6 для снятия сигнала.

На фиг.2 приведена зависимость емкости датчика влажности, изготовленного описанным выше способом, от относительной влажности воздуха, измеренная при температуре 30^oC на частоте 100 кГц. В качестве сред с известной влажностью использовались насыщенные растворы солей. В качестве влагочувствительного слоя 3 использовалась пленка оксида циркония площадью 1 см², не содержащая сквозных локальных участков проводимости.

В диапазоне относительной влажности 12 63 график имеет значительную крутизну и хорошо сглаживается экспоненциальной функцией вида:
C C₀ exp/af/,
где C₀ и a параметры уравнения,
f относительная влажность /%/.

При капельном увлажнении поверхности чувствительного слоя происходит десятикратное увеличение емкости по сравнению с соответствующим значением для влажности 63%
Описываемый датчик влажности прост в изготовлении, не требует дорогостоящих материалов и обладает высокой чувствительностью, что позволяет с достаточной степенью точности измерять относительную влажность воздуха, содержание влаги в твердых телах, а также определять точку росы. Датчик может быть использован в качестве реле-регулятора для управления включением/выключением стеклоочистителей.

Литература, принятая во внимание
Патент ЕПВ N 0241761, кл. G 01 N 27/22, опубл. 1987.

Измерения в промышленности. Справочник под ред. проф. П. Профоса. М. Металлургия, 1990, т.3, с.139 140.

Использование: в аналитических приборах для измерения относительной влажности газов и твердых материалов. Сущность изобретения: датчик влажности конденсаторного типа содержит два измерительных электрода, между которыми размещен влагочувствительный слой в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен первый измерительный электрод, являющийся электретом. Второй измерительный электрод выполнен из материала, проницаемого для паров воды, и его электропроводность выше электропроводности влагочувствительного слоя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик влажности, содержащий влагочувствительный слой, размещенный между двумя измерительными электродами, отличающийся тем, что влагочувствительный слой является электретом и выполнен в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен первый измерительный электрод, а второй измерительный электрод выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первый измерительный электрод выполнен в виде матрицы и является одновременно нагревателем.